Китайские ученые добились значительного прогресса в технологии твердотельных аккумуляторов, разработав кремниевый анод с уникальной трехмерной структурой, призванной преодолеть присущую материалу нестабильность. Прорыв, возглавленный профессором Чэнь Ванхуа из Университета Нинбо, решает одну из основных проблем в разработке аккумуляторов нового поколения: склонность кремния к расширению и деградации во время циклов зарядки.
Проблема с Кремнием
Кремний исключительно перспективен для литий-ионных аккумуляторов высокой емкости, теоретически способный хранить в десять раз больше энергии, чем традиционные графитовые аноды. Однако его резкое изменение объема (более 300%) во время зарядки исторически ограничивало его практическое применение. Это расширение вызывает механическое напряжение, разрушает интерфейсы аккумулятора и быстро снижает производительность.
Как выразился профессор Чэнь Ванхуа, кремний — это «супер-носильщик» с огромным потенциалом хранения, но который «яростно расширяется» и «разрушается» при повторном использовании. Эта нестабильность долгое время была основным препятствием для реализации полного потенциала кремния.
«Дышащее» Решение
Исследовательская группа использовала плазмохимическое осаждение из газовой фазы (PECVD) для создания новой столбчатой кремниевой архитектуры, напрямую интегрированной с токосъемником. Эта конструкция имеет «двухфазную» структуру сердцевины и оболочки, созданную в два этапа.
Ключевым новшеством является преднамеренное введение пустот между вертикально выровненными кремниевыми нанопроводами. Эта сеть создает внутренние «предохранительные клапаны», позволяющие кремнию расширяться в зарезервированные пространства при приливе ионов лития, вместо того, чтобы разрушать окружающий твердый электролит.
По сути, исследователи перешли от использования «кремниевого порошка» к созданию «леса» из переплетенных нанопроводов, которые могут вместить расширение без структурных повреждений.
Исключительная Производительность и Долговечность
Тесты подтверждают превосходную производительность нового анода. Полученный твердотельный аккумулятор поддерживал подачу энергии даже при изгибе или разрезании, демонстрируя исключительную механическую прочность и безопасность.
Этот прорыв представляет собой переход к проектированию аккумуляторных материалов с учетом как ионной проводимости, так и структурной целостности. Он значительно приближает высокоэнергетические, долговечные твердотельные кремниевые аккумуляторы к практической реализации.
Это исследование предоставляет жизнеспособный технический путь для разработки аккумуляторов нового поколения, потенциально революционизируя хранение энергии для электромобилей и портативной электроники.
