«Аккумуляторы: на пути к вечности»

На рынке уже появляются инновационные дисплеи и микросхемы, которые предвещают новое поколение мобильных устройств. Однако до сих пор даже в самых современных гаджетах используются литиевые батареи - технология, впервые появившиеся более 20 лет назад. Из-за больших и ярких дисплеев и постоянной беспроводной связи, устройства даже с самыми емкими аккумуляторами держат заряд в лучшем случае несколько дней. Увеличение же ёмкости приводит к значительному увеличению веса и объема. К тому же постепенно начинают возникать сомнения в безопасности литиевых батарей, вплоть до того, то крупнейший американский почтовый перевозчик USPS запрещает пересылку любых электронных устройств с Li-ion и Li-pol аккумуляторами. В случае с электроавтомобилями проблема ёмкости встаёт еще более остро, так как до сих пор не существует нормальной инфраструктуры для подзарядки аккумуляторов. Другая серьезная проблема современных литиевых батарей — ограниченный срок их «жизни». Обычно аккумулятора хватает примерно на тысячу циклов зарядки-разрядки.

Команда учёных Стенфордского университета под руководством И Цуй (известная как Yi Cui Lab), занимается исследованием нано-материалов, и в частности, разработкой батарей с большим количеством циклов. Их последнее изобретение — литиевая батарея на кремниевых нано-трубках — способна выдержать 6 тысяч циклов зарядки при ёмкости почти в десять раз превышающей обычную емкость литиевого аккумулятора.

В литиевой батарее три основных элемента: отрицательный электрод (анод), положительный электрод (катод) и соли лития в качестве электролита. Емкость батареи напрямую зависит от электрических свойств всех трёх компонентов.

Почти во всех литиевых аккумуляторах используется графитовый анод, емкость которого меньше 400 миллиампер в час на грамм веса, поэтому естественным ограничением емкости батареи становится вес и, соответственно, размер анода.

Учёным было известно, что теоретически кремний может быть более эффективным анодом, так как один атом кремния может связать 4 иона лития, в то время как требуется 6 атомов углерода, чтобы связать один ион лития. Однако до сих пор создать эффективную батарею с кремниевым анодом не удавалось: во время зарядки кремниевый анод расширяется почти в четыре раза от своего исходного объёма, а при разрядке «сдувается», и уже через несколько циклов трескается и выходит из строя. Кроме того, электролит вступает в реакцию с кремнием и покрывает его пленкой, препятствуя эффективной зарядке.

Уже совершались попытки использовать различные формы кремния, например, микропористый кремний, но ни одна из таких технологий не позволяла до сих создать анод с конкурентоспособным числом циклов. Инновационность разработки команды И Цуя состоит в использовании кремниевых нано-трубок с двойными стенками, покрытых оксидом кремния. Очень прочный наружный слой трубки не даёт ей расширяться наружу, вместо этого кремний безопасно «распухает» во внутреннюю полость трубки. Кроме того, диаметр трубки слишком мал, чтобы туда могли попасть молекулы электролита. Это позволяет кремниевому аноду выдержать 6 тысяч циклов зарядки, сохранив 85% исходной ёмкости.