Науковці перебувають у постійному пошуку найкращої літієво-іонної батареї, яка зможе підтримувати роботу мобільного телефону впродовж кількох днів, збільшить асортимент електромобілів і буде максимально економити енергію з мережі, але нещодавнє дослідження, проведене Canadian Light Source (CLS), вченими з Національної дослідницької ради Канади (NRC), засвідчило, що відповідь можна знайти в хімії.

Композитні графіто-кремнієві електроди

Малюнок 1. (a, d, g) SEM-зображення циклічного композитного електрода Si/графіт, Si-електроду та графітового електрода відповідно; (b, e, h) відповідні EDXS-відображення елемента F; та (c, f, i) спектри XPS для F 1s для відповідних електродів до та після циклування.

“Дослідники пробували все на інженерному рівні, щоб поліпшити батареї, – сказав доктор Ясер Абу-Лебде (Dr. Yaser Abu-Lebdeh), старший науковий співробітник NRC, – але для підвищення їх працездатності необхідно займатися хімією матеріалів”.
Літієві батареї мають електроди, що складаються з графіту та сполучного, званого полівінілідендифторидом (PVDF), пояснив Абу-Лебде, який працював із колегами NRC та вченими з CLS над дослідженням. Кремній має у 10 разів більше літієвої місткості, ніж графіт, тому основна увага приділяється створенню композитного електрода із кремнію та графіту.
Це, мабуть, є основним шляхом збільшення щільності енергії літій-іонних батарей, що перезаряджаються, але кремнієві композитні батареї дуже швидко втрачають потужність під час їзди на велосипеді; після п’яти циклів їх потужність стає навіть нижчою, ніж у простих батарей з графітовими електродами, навіть при невеликій кількості кремнію в композитах.
“Проект був би дуже складним, якби не можливість CLS спостерігати структурну хімію на нанорівні”, – говорить Джіанг Чжоу (Jigang Zhou), експерт дослідницької групи з акумуляторів.

Рисунок 2. (а) Спектри K-edge XANES на основі фтору та відповідні хімічні зіставлення фтору (b) циклічного Si/графіту, (c) циклічні Si та (d) циклічні графітові електроди.
Команда використовувала кілька технологій NRC та CLS, включаючи електрохімічні випробування, скануючу електронну мікроскопію та рентгенівську спектроскопію для розробки методу дослідження нової батареї, що демонструє хімію на поверхні батареї. Цей метод можна використовувати для досліджень у різних батареях, що перезаряджаються, над якими працює Чжоу.
«Для мене справжня краса полягає в тому, що цей новий дослідницький метод – це шлях до розуміння багатьох питань, пов’язаних із дослідженнями батарей», – каже Чжоу.
Команда застосувала свою техніку, щоб зрозуміти, чому навіть невелика кількість кремнію, у поєднанні з графітом та сполучним, призводила до деградації батарей. Проблема, як вони виявили, полягала в розкладанні сполучного PVDF під час циклювання батареї, що відбувалося тільки з графітовими електродами, незважаючи на хороші характеристики батареї.
Результати дослідження, опубліковані Американським хімічним товариством в інтернеті у відкритому доступі, дають посібник з розробки більш відповідних сполучних для композитних графіто-кремнієвих електродів, нових полімерів, які не надають несприятливого хімічного впливу на інші компоненти, і дають можливість збільшити ємність акумулятора. .
Абу-Лебде чекає на появу нового сполучного, що має призвести до поступового збільшення вмісту кремнію в електроді до 20%. В результаті повинні вийде батареї з більш високою щільністю енергії, що втричі перевищують, батареї з графітовими електродовами. Додавання кремнію збільшує ємність акумулятора, він не збільшує його вартість, якщо технологія буде інтегрована в поточні виробничі процеси.
Це дослідників може бути дуже важливим для індустрії літій-іонних батарей, яка працює над економічними рішеннями для побутової електроніки наступного покоління, електромобілями та сховищами енергії для електричних мереж.