Прорыв в области создания нового поколения литиевых аккумуляторов

Наноусики продлили жизнь ноутбукам

Возможно, скоро пользователям портативных компьютеров не придётся носить с собой запасные аккумуляторы и постоянно их перезаряжать. Использование кремниевых «наноусиков» позволило американским учёным в десять раз увеличить ёмкость литий-ионных батарей.

Notebook.jpg

Несмотря на то что развитие мобильных компьютеров развивается стремительно, увеличение рабочих характеристик питающих элементов до сих пор не было ознаменовано столь же грандиозными успехами.

Промышленность смогла отказаться от токсичных никель-кадмиевых аккумуляторов и перешла на литий-ионные и литий-полимерные батареи, однако до сих пор ноутбуки могут работать без внешнего источника питания лишь несколько часов, и всё равно это требует различных «экономичных режимов» использования батарей.

Резкий скачок в эффективности литиевых аккумуляторов обещает обеспечить новое достижение нанотехнологов, утверждающих, что тонкие нитевидные кристаллы кремния, называемые в научной литературе вискерами («усиками» – от английского whiskers), могут десятикратно увеличить емкость батарей.

Новая технология позволит ноутбукам работать в течение нескольких дней, а электромобилям – преодолевать расстояния в сотни километров без перезарядки. Новшество заключается в увеличении заряда, который может нести на себе положительно заряженный электрод батареи, называемый анодом.

Процесс зарядки батареи можно представить следующим образом: катион Li+ получает один электрон из внешней цепи и перемещается к анодному пространству. Анодом, как правило, служит литиевая фольга.

В процессе эксплуатации аккумулятора происходит обратный процесс: ионы лития отдают свои электроны во внешнюю цепь, которая может питать компьютер, двигатель авто или что-то еще, и мигрируют к катодному пространству через мембрану ионного проводника, часто называемого твердым электролитом. Катоды современных литиевых батарей выполняются из слоистых материалов – как правило, из графита. Катионы лития встраиваются в полости в структуре катода, где и удерживаются силами межатомного электростатического взаимодействия.

В графитовом катоде каждый встраивающийся в межслоевое пространство катион лития затрагивает примерно шесть атомов углерода.

Применение кремния в материале катодов сулит гораздо большую выгоду: здесь каждый атом кремния может принимать до четырех катионов лития в структуре катода. Это обуславливает рекордную емкость батарей, которую можно достичь.

Однако первые попытки создания катодных материалов на основе кремния провалились, так как внедрение лития в структуру кремния приводит к резкому увеличению объема материала (до 400%), что выливается в разрушение и порошкование катода и значительное снижение его емкости.

На смену тонкопленочным и объемным технологиям исследователи под руководством И Цуя из Стэндфордского университета предлагают привести технологии квазиодномерных структур из кремния.

Prof__Yi_Cui1.jpg

Prof. Yi Cui

Такие системы вызывают повышенный интерес у материаловедов всего мира в силу уникального сочетания свойств. Нитевидные кристаллы, как правило, практически лишены дефектов кристаллической структуры, а потому обладают огромной прочностью по сравнению с объемными кристаллами и поликристаллическими материалами.

Соотношение длины, достигающей в ряде случаев нескольких миллиметров, и толщины, измеряемой нанометрами, а также кристаллической структуры, зачастую содержащей в себе туннели и полости, может вылиться в аномальные магнитные, электрические, оптические и другие свойства. Именно поэтому квазиодномерные структуры изучаются для очень широкого класса химических соединений переходных металлов и полупроводниковых материалов.

Yi_Cui_group.jpg

David Schoen

VLS – Пар-Жидкость-Кристалл

Этот механизм роста кристаллов реализуется в трехфазной системе нескольких компонентов. Компонент роста кристаллов поставляется из высокотемпературной области в виде паров, далее растворяется в капле жидкой фазы, из которой в дальнейшем и происходит рост нитевидного кристалла.

Process.jpg

Схема процесса

Технологию получения таких структур каждая научная группа по понятным причинам старается держать в секрете. В большинстве случаев рост одномерных кристаллов происходит по механизму пар – жидкость – кристалл (VLS – от английского vapor – liquid – solid), однако в случае каждой конкретной системы ноу-хау запуска этого механизма – наиболее ценная интеллектуальная собственность. Однако вискеры кремния были получены и изучены уже довольно давно, потому группа И Цуя применила «стандартную» методику выращивания «леса» кремниевых нанотрубок, один конец которых прикреплен к подложке из нержавеющей стали.

В дальнейшем на основе полученного электрода ученые создали батарею, в которой в качестве анода использовали литиевую фольгу и стандартный полимерный литиевый электролит. В ходе тестовых циклов зарядки и разряда батареи кремниевые нановолокна, так же как и объемные материалы, сильно изменяли свой размер, однако разрушению и порошкованию не подвергались. Подробно использование вискеров кремния в качестве катодного материала рассмотрено на страницах журнала Nature Nanotechnology.

Причина прочности нановолокон, по мнению И Цуя, заключается в способности кристаллической решетки таких квазиодномерных структур обратимо расширяться и сокращаться по нормали к поверхности кристалла. Таким образом, происходит ослабление напряжений, возникающих в материале при внедрении лития в кристаллическую структуру.

При многократных циклах заряда и разряда батареи ученым удалось наблюдать устойчивую емкость аккумулятора, превышающую емкость современных литиевых батарей в десять раз.

Gerbrand_Ceder.jpg

Gerbrand Ceder

Как отметил Гербранд Cедер, эксперт из Масачуссетского технологического института, применение кремниевой нанотехнологии в производстве не только катодных, но и анодных материалов в будущем помогло бы избавиться от использования в батареях крайне неудобного металлического лития, а также снизить вес и объем батарей.

Остается только добавить, что прямые конкуренты аккумуляторов электрической энергии – топливные элементы – несмотря на отдельные достижения материаловедов, пока сильно отстают в развитии, и, придут ли они на смену литиевым источникам тока, вопрос открытый.

http://www.gazeta.ru/…443503.shtml

Stanford's nanowire battery holds 10 times the charge of existing ones

http://www.nanotech-now.com/news.cgi?…

Алексей Петров

Да это сулит действительно прорыв в создании литиевых аккумуляторных батарей нового типа…



nikst аватар

НАНОТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВИЛИ РЕВОЛЮЦИЮ В БЫТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

Стэнфордский Университет\Stanford University сообщил о разработке технологии, которая значительно увеличивает емкость литиевых аккумуляторов, используемых в видеокамерах, сотовых телефонах и т.п. переносных электронных устройствах.

Новая батарея хранит в 10 раз больше энергии, чем существующие версии литиевых аккумуляторов. Если ныне переносной компьютер, снабженный полностью заряженным аккумулятором, может работать около двух часов, то новая батарея увеличивает продолжительность рабочего времени до 20-ти часов.

Это открытие может произвести революцию не только в бытовой электронике, но и в иных сферах – она, например, теоретически позволяет производить более эффективные электромобили и накапливать энергию в домашних условиях.

Кардинальное увеличение емкости батареи стало возможным благодаря использованию нанотехнологий. Для изготовления литиевых батарей традиционно применяется углерод. Ранее различные лаборатории неоднократно пытались использовать кремний (в виде частиц или тонких пленок), который обладает намного большей емкостью, чем углерод, однако терпели неудачу – дело в том, что кремниевые составляющие батареи быстро «стареют» и теряют работоспособность. Использование кремниевых нанонитей (диаметром в одну тысячную толщины листа бумаги) позволило решить эту проблему.

Авторы изобретения считают, что технология производства новых батарей относительно проста и поэтому их промышленное производство может быть начато уже в обозримом будущем. Об этом сообщает Washington Profile.

http://www.inauka.ru/…le79818.html