Вчені з Університету Королеви Марії в Лондоні оголосили про значний прорив у сфері розробки літій-іонних акумуляторів. Їм вдалося створити нову архітектуру кремнієвих композитних електродів, яка відкриває шлях до швидшої зарядки, довшого терміну служби та підвищеної енергоємності батарей. Йдеться про інноваційну двошарову конструкцію електрода, здатну кардинально покращити циклічну стабільність і зменшити механічне руйнування під час багаторазових циклів заряджання та розряджання.
Як повідомляється у статті, опублікованій у науковому журналі Nature Nanotechnology, дослідження дозволило детально розкрити ключові електрохімічні та механічні процеси, що відбуваються в нанопористих електродах. Саме ці процеси визначають, наскільки ефективно акумулятор може накопичувати та віддавати енергію без деградації матеріалу. Нова конструкція складається з двох взаємопов'язаних шарів: перший має нанопористу структуру із субнанометровими порами, крізь які швидко та ефективно проходять іони літію, а другий містить порожнини, здатні компенсувати значне розширення кремнію під час процесу літіювання. Завдяки цьому вдалося вирішити одну з головних проблем кремнієвих анодів - їхню схильність до розтріскування й руйнування при кожному циклі зарядки.
Особливо важливим є те, що ці субнанометрові пори виконують роль своєрідного «фільтра», який попередньо видаляє розчинники з іонів літію. Це не лише оптимізує електрохімічне середовище, а й сприяє формуванню більш стабільного твердого електролітного інтерфейсу (SEI). Цей захисний шар, насичений неорганічними компонентами, містить велику кількість фториду літію (LiF), який відомий своєю стабільністю та здатністю запобігати утворенню небезпечних кристалічних фаз кремнію, таких як c-Li15Si4. Саме ці фази зазвичай є основною причиною швидкого зносу та втрати ємності у звичайних кремнієвих батареях.
Поєднання механічного захисту з боку вуглецевої структури та стабілізуючої дії SEI забезпечило вражаючу довговічність нових електродів. За результатами випробувань, акумулятори з новою архітектурою зберегли понад 97% початкової ємності навіть після 200 циклів зарядки, із втратою лише 0,015% на цикл - показник, який є рекордно низьким для матеріалів на основі кремнію. Більш того, комерційні зразки таких елементів продемонстрували стабільну роботу протягом понад 1700 циклів, зберігаючи близько 80% своєї ємності, а повна зарядка батареї може здійснюватися всього за 10 хвилин.
Як зазначив керівник дослідження професор Сюекун Лу, команда вперше змогла візуалізувати взаємодію між мікро- і нанорозмірними структурами під час електрохімічних процесів. Це дозволило краще зрозуміти, як саме на атомному рівні відбувається рух іонів літію та зміни у структурі матеріалу під час роботи батареї. За словами вченого, результати відкривають нові горизонти для вдосконалення акумуляторних технологій наступного покоління, які стануть основою для розвитку електромобілів із більшим запасом ходу, швидшим заряджанням і зниженими експлуатаційними витратами.