Нанокристаллы увеличили энергоемкость литий-ионных аккумуляторов

В опубликованной недавно научной статье исследователи из Лаборатории неорганической химии при Швейцарской высшей технической школе Цюриха (ETH) и лаборатории Empa привели описание нового наноматериала, позволяющего хранить в литий-ионных аккумуляторах больше энергии.

Более мощные батареи могут помочь электромобилям значительно увеличить дальность пробега, и новый наноматериал для литий-ионных аккумуляторов, разработанный швейцарскими химиками, способен сыграть в этом немалую роль.

Как известно, перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы снабжают энергией такие устройства, как электрические транспортные средства, смартфоны и ноутбуки, и именно на них сегодня падает выбор, когда возникает необходимость в небольшом и легком приспособлении для хранения большого количества энергии. Ученые всего мира работают над следующим поколением таких батарей, характеризующихся большей производительностью. И недавно труды очередной исследовательской группы – ее возглавляет Максим Коваленко – увенчались успехом: ученые создали наноматериал, позволяющий значительно увеличить энергоемкость литий-ионных аккумуляторов.

Новинка состоит из крошечных кристаллов олова, предназначенных для расположения на минусовом полюсе аккумулятора (аноде). В процессе зарядки батареи ионы лития поглощаются этим электродом, а при разрядке – высвобождаются снова. «Чем больше ионов лития могут поглотить и выпустить электроды – так сказать, чем лучше они дышат – тем больше энергии можно сохранить в аккумуляторе», — пояснил Коваленко.

Элементарное олово идеально подходит для этого, поскольку каждый его атом может поглощать, по меньшей мере, четыре иона лития. Однако есть и проблема, которая заключается в изменении объема оловянных электродов: при поглощении большого количества ионов лития крошечный оловянный кристалл увеличивается втрое, а, когда выпускает их, снова сжимается. В связи с этим ученые обратились к нанотехнологиям: они создали мельчайшие нанокристаллы олова и встроили большое их количество в пористую проводящую углеродную матрицу. Во многом подобно тому, как губка втягивает воду и снова выпускает ее, электрод, сконструированный таким образом, может поглощать ионы лития при зарядке и высвобождать при осуществлении обратного процесса. Если бы электрод был выполнен из компактного оловянного блока, такое было бы практически невозможно.

В большинстве современных литий-ионных аккумуляторов плюсовой полюс состоит из оксидов переходных металлов – никеля, кобальта и марганца, а минусовый – из графита. Однако в более мощных устройствах следующего поколения на минусовом полюсе смогут использоваться и такие элементы, как олово или кремний.