Ученые из Стэнфордского университета и лаборатории SLAC National Accelerator при Министерстве энергетики США смогли решить проблему быстрой деградации анодов из кремния – перспективного материала, позволяющего хранить в батарее в 10 раз больше заряда по сравнению с графитовым анодом.
Исследователи уже давно пытаются создать надежный кремниевый электрод с длительным сроком действия. Во время зарядки и разрядки кремниевый анод расширяется и сужается, а из-за своей хрупкости, в ходе регулярной деформации быстро трескается и разламывается.
Чтобы решить проблему, ученые предложили создать анод из настолько малых частиц кремния, чтобы им уже не на что было разламываться. Кроме того, они поместили эти наночастицы в углеродную оболочку большего размера в сравнении с самой частицей, таким образом предоставив им пространство для расширения, происходящее во время зарядки.
Используя специальную микроэмульсию, ученые собрали микрочастицы с оболочкой в группы и поместили их в еще одну, более толстую «скорлупу» из углерода.
В результате получилась структура, напоминающая гранат. Каждая батарея содержит множество таких «гранатов». «Такая структура обеспечивает свободное протекание электрического тока», – пояснили исследователи.
Кроме того, в ходе экспериментов удалось выяснить, что аккумулятор с «гранатной» структурой обладает более длинным по сравнению с предыдущими аналогичными проектами жизненным циклом: он сохраняет 97% емкости спустя 1 тыс. циклов перезарядки. Это делает элемент пригодным для коммерческой эксплуатации, заявили ученые.
Аккумулятор с "гранатной" структурой: концептуальная иллюстрация
Новая структура помогла решить и еще одну проблему. Во время эксплуатации батареи с кремниевым анодом в результате реакции с электролитом на электроде образуется клейкая субстанция, которая снижает производительность. В «гранатной» структуре площадь соприкосновения частиц с электролитом в 10 раз меньше. Таким образом, субстанции образуется гораздо меньше.
Наночастицы напоминают зерна в гранате: слева – до зарядки, справа – после зарядки
По словам руководителя проекта Йи Куи (Yi Cui), несмотря на значительный прогресс, о выводе новых батарей на коммерческий рынок говорить пока рано, так как необходимо решить еще две важные проблемы. Во-первых, нужно упростить процесс производства описанных анодов. Во-вторых, нужно найти дешевый источник кремниевых наночастиц. Одним из таких источников может быть рисовая шелуха, которая не используется в пищевой промышленности и на 20% состоит из диоксида кремния. По словам Куи, ее достаточно легко превратить в чистые кремниевые наночастицы, пригодные для батарей.
В ноябре прошлого года ученые разработали другой способ продления срока эксплуатации кремниевого аккумулятора, наделив анод способностью к самовосстановлению.
Ученые из Стэнфордского университета и лаборатории SLAC National Accelerator при Министерстве энергетики США смогли решить проблему быстрой деградации анодов из кремния – перспективного материала, позволяющего хранить в батарее в 10 раз больше заряда по сравнению с графитовым анодом.
Исследователи уже давно пытаются создать надежный кремниевый электрод с длительным сроком действия. Во время зарядки и разрядки кремниевый анод расширяется и сужается, а из-за своей хрупкости, в ходе регулярной деформации быстро трескается и разламывается.
Чтобы решить проблему, ученые предложили создать анод из настолько малых частиц кремния, чтобы им уже не на что было разламываться. Кроме того, они поместили эти наночастицы в углеродную оболочку большего размера в сравнении с самой частицей, таким образом предоставив им пространство для расширения, происходящее во время зарядки.
Используя специальную микроэмульсию, ученые собрали микрочастицы с оболочкой в группы и поместили их в еще одну, более толстую «скорлупу» из углерода.
В результате получилась структура, напоминающая гранат. Каждая батарея содержит множество таких «гранатов». «Такая структура обеспечивает свободное протекание электрического тока», – пояснили исследователи.
Кроме того, в ходе экспериментов удалось выяснить, что аккумулятор с «гранатной» структурой обладает более длинным по сравнению с предыдущими аналогичными проектами жизненным циклом: он сохраняет 97% емкости спустя 1 тыс. циклов перезарядки. Это делает элемент пригодным для коммерческой эксплуатации, заявили ученые.
Аккумулятор с "гранатной" структурой: концептуальная иллюстрация
Новая структура помогла решить и еще одну проблему. Во время эксплуатации батареи с кремниевым анодом в результате реакции с электролитом на электроде образуется клейкая субстанция, которая снижает производительность. В «гранатной» структуре площадь соприкосновения частиц с электролитом в 10 раз меньше. Таким образом, субстанции образуется гораздо меньше.
Наночастицы напоминают зерна в гранате: слева – до зарядки, справа – после зарядки
По словам руководителя проекта Йи Куи (Yi Cui), несмотря на значительный прогресс, о выводе новых батарей на коммерческий рынок говорить пока рано, так как необходимо решить еще две важные проблемы. Во-первых, нужно упростить процесс производства описанных анодов. Во-вторых, нужно найти дешевый источник кремниевых наночастиц. Одним из таких источников может быть рисовая шелуха, которая не используется в пищевой промышленности и на 20% состоит из диоксида кремния. По словам Куи, ее достаточно легко превратить в чистые кремниевые наночастицы, пригодные для батарей.
В ноябре прошлого года ученые разработали другой способ продления срока эксплуатации кремниевого аккумулятора, наделив анод способностью к самовосстановлению.
В связи с невысокой автономностью смартфонов среди многих владельцев мобильных гаджетов большой популярностью пользуются портативные аккумуляторы. Они позволяют не остаться без связи в нужный момент и подзарядить не только смартфон, но и другие девайсы. В большинстве случаев ёмкости такого аккумулятора хватает максимум на несколько зарядок смартфона, чего не всегда оказывается достаточно. Компания ChargeTech выпустила бескомпромиссное решение – Plug. Это внешний аккумулятор ёмкостью 48 000 мАч, которого достаточно, чтобы 28 раз зарядить iPhone и 3 раза – ноутбук.
Самое интересное, что ChargeTech Plug оборудован двумя розетками переменного тока, что позволяет использовать его в качестве источника питания для бытовых приборов. К примеру, аккумулятора хватит, чтобы четыре часа смотреть телевизор. Также в нём имеется два полноразмерных USB с поддержкой быстрой зарядки и один USB Type-C. На верхней части ChargeTech Plug имеется дисплей, отображающий уровень заряда в процентах, что при такой высокой ёмкости – крайне полезная опция.
Внутри ChargeTech Plug установлено 16 аккумуляторов по 3 000 мАч каждый. К девайсу также предлагается солнечная панель, способная зарядить его полностью за 8 часов. Такой аксессуар подойдёт для путешествий или тех, кто испытывает перебои с электричеством.
ChargeTech Plug можно заказать на Indiegogo за $314. Также была анонсирована Pro-версия ёмкостью 54 000 мАч за $330. Стоимость солнечной панели составляет $197.
