Израильские исследователи разработали инновационную технологию создания анодов из кремния и графена, которая существенно улучшает долговечность и производительность литий-ионных батарей. Благодаря новому методу эти аноды сохраняют высокую емкость даже после тысяч рабочих циклов, что открывает перспективы для широкого применения в современной электронике, в частности в электромобилях и портативных устройствах.
Об этом сообщает ProIT
Лазерный синтез прелитийованных анодов: технология и преимущества
Традиционно кремний рассматривается как перспективный материал для анодов благодаря его высокой теоретической емкости по сравнению с графитом. Однако основными сложностями оставались структурная нестабильность, низкая эффективность и необходимость в сложном процессе прелитирования – добавлении дополнительного лития для компенсации будущих потерь при эксплуатации.
Группа израильских ученых под руководством профессора Тель-Авивского университета Фернандо Патольского создала одноэтапный лазерный процесс, в рамках которого синтезируются и одновременно прелитируются наночастицы кремния, которые затем интегрируются в графеновую матрицу. Этот метод не требует многоступенчатого производства или использования реактивного металлического лития, а исходным материалом служит трикомпонентная смесь фенольной смолы, наночастиц кремния и солей лития.
Под воздействием лазерного излучения низкой мощности в обычных условиях образуется композит с пористой электропроводной структурой, что помогает стабилизировать кремниевые частицы и поддерживать их емкость на протяжении длительного времени. Благодаря применению распространенных солей лития, в частности LiOH, достигается оптимальная плотность и улучшенный контакт между фазами.
“В этом методе повсеместно используются распространенные соли лития (LiOH, Li₂CO₃, LiNO₃, LiF, LiClO₄), при этом LiOH демонстрирует оптимальные характеристики благодаря уплотнению прекурсора под действием щелочи и улучшенному межфазному контакту”, — объясняют израильские исследователи.
Результаты тестирования и перспективы применения
Инновационная структура анода имеет так называемую “ядро-оболочка”, где частично прелитийованные наночастицы кремния покрыты слоем силиката лития и интегрированы в пористую электропроводную матрицу. Такая конструкция не только стабилизирует ковалентные связи, но и снижает негативный эффект от объемного расширения, что обычно приводит к деградации кремниевых анодов.
Во время испытаний прототип анода демонстрировал сохранение более 98% емкости после более 2000 циклов при плотности тока 5 А·г⁻¹, а начальная кулоновская эффективность превышала 97%. При еще более интенсивных режимах зарядки – 10 А·г⁻¹ – анод поддерживал до 63% максимальной емкости, что свидетельствует о его пригодности для быстрой зарядки, важной для электромобильной индустрии и мобильных устройств.
Система также продемонстрировала высокую циклическую стабильность с минимальным ухудшением характеристик даже при длительном использовании. Исследователи подчеркивают, что такая технология позволяет не только создавать аноды нового поколения, но и значительно снижать сложность и стоимость производства литий-ионных аккумуляторов.
Ученые доказали масштабируемость процесса, изготовив анодные электроды длиной 20 см, которые потенциально могут применяться в рулонных производственных линиях. В полномасштабных тестах с катодами LiFePO4 батареи не теряли емкости даже после 500 циклов при скорости разряда 1C.
Результаты этого исследования свидетельствуют о значительном прогрессе в развитии аккумуляторных технологий, что имеет большое значение для будущего энергетики и электротранспорта.