В исследовании, опубликованном в издании ACS Nano, исследователи показали, как покрытие, которое делает высокоемкие кремниевые электроды более долговечными, может привести к замещению менее емких графитовых электродов.

«Понимание того, как покрытие работает, указывает нам направление, в котором необходимо двигаться для преодоления проблем кремниевых электродов», сообщил материаловед Чон Мин Вон из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.

Благодаря высокому потенциалу электрической емкости кремний является одним из наиболее популярных элементов в разработке литий-ионных батарей сегодня. Замена графитового электрода в перезаряжаемых литиевых батареях кремнием может десятикратно увеличить емкость, благодаря чему работать они будут намного больше, прежде чем выйдут из строя. Но здесь есть проблема: кремниевые электроды не слишком долговечны, и после нескольких дюжин перезарядок уже не могут проводить электричество.

Частично это происходит из-за того, как кремний притягивает литий — подобно губке. Во время зарядки литий пропитывает кремниевый электрод и приводит к тому, что электрод раздувается втрое по сравнению с оригинальным размером. Возможно, из-за этого или по другой неизвестной причине кремний разрушается.

Исследователи использовали электроды, состоящие из крошечных кремниевых сфер около 150 нанометров шириной — в 1000 раз меньше человеческого волоса — чтобы преодолеть некоторые ограничения кремниевого электрода. Небольшой размер позволяет кремнию заряжаться быстро и полностью, что уже превосходит прежние кремниевые электроды, но лишь частично облегчает проблему растрескивания.

В прошлом году материаловед Чун Мей Бан и ее коллеги из Национальной лаборатории возобновимой энергии в Колорадо, и из Колорадского университета в Болдере выяснили, что кремниевые наночастицы можно покрыть каучукоподобным покрытием, сделанным из алюминиевого глицерина. Кремниевые наночастицы с покрытием обладают пятикратной долговечностью: частицы без покрытия разрушаются через 30 циклов, в то время как с покрытием — через 150.

Исследователи не знали, как именно это покрытие улучшило работу кремниевых наночастиц. Наночастицы естественным образом выращивают твердую оболочку оксида кремния на поверхности. Никто не знал, мешает ли слой оксида работе электрода, и если да, то как покрытие нейтрализует это влияние.

Чтобы лучше понять, как работает покрытие, Вон с коллегами, включая Бана, обратились к опыту и уникальному инструменту Лаборатории экологических молекулярных наук.

Группа Бана, которая разработала покрытие для кремниевых электродов под названием алюкон, получила изображения частиц с большим увеличением с помощью электронного микроскопа. Однако группа Вона имеет микроскоп, который позволяет рассмотреть частицы в процессе зарядки и разрядки. Янь Хе из Питтсбургского университета исследовал покрытые кремниевые наночастицы в действии.

Ученые обнаружили, что без алюконового покрытия оксидная оболочка предотвращает расширение кремния и ограничивает количество поглощаемого частицами лития во время заряда батареи. В то же время, они выяснили, что алюконовое покрытие смягчает частицы, что упрощает процесс расширения и сжатия с литием.

Изображения, полученные с помощью микроскопа, показали, что эластичный алюкон замещает твердый оксид. Это позволяет кремнию расширяться и сокращаться в ходе зарядки и разрядки без трещин и разломов.

«Мы поразились тому, что оксид был удален», сказал Вон. „Обычно сделать это сложно, и получается только с помощью кислоты. Однако наш метод молекулярного осаждения, с которым покрываются частицы, полностью изменяет защитный слой“.

Кроме того, частицы с оксидными оболочками во время зарядки сливаются вместе, увеличиваясь в размере и препятствуя проникновению лития в кремний. А эластичное покрытие разделяет частицы, позволяя им оптимально функционировать.

В будущем ученые намерены разработать более простой метод покрытия кремниевых наночастиц.