Ізраїльські дослідники розробили інноваційну технологію створення анодів з кремнію та графену, яка істотно покращує довговічність і продуктивність літій-іонних батарей. Завдяки новому методу ці аноди зберігають високу місткість навіть після тисяч робочих циклів, що відкриває перспективи для широкого застосування у сучасній електроніці, зокрема в електромобілях та портативних пристроях.
Про це розповідає ProIT
Лазерний синтез прелітійованих анодів: технологія та переваги
Традиційно кремній розглядають як перспективний матеріал для анодів через його високу теоретичну місткість порівняно з графітом. Однак основними складнощами залишалися структурна нестабільність, низька ефективність та потреба у складному процесі прелітіювання – додавання додаткового літію для компенсації майбутніх втрат при експлуатації.
Група ізраїльських науковців під керівництвом професора Тель-Авівського університету Фернандо Патольського створила одноетапний лазерний процес, у межах якого синтезуються та одночасно прелітіюються наночастинки кремнію, які потім інтегруються у графенову матрицю. Цей метод не потребує багатоступеневого виробництва чи використання реактивного металевого літію, а вихідним матеріалом служить трикомпонентна суміш фенольної смоли, наночастинок кремнію та солей літію.
Під впливом лазерного випромінювання низької потужності у звичайних умовах утворюється композит з пористою електропровідною структурою, що допомагає стабілізувати кремнієві частинки та підтримувати їхню місткість протягом тривалого часу. Завдяки застосуванню поширених солей літію, зокрема LiOH, досягається оптимальна щільність та покращений контакт між фазами.
“У цьому методі повсюдно використовуються поширені солі літію (LiOH, Li₂CO₃, LiNO₃, LiF, LiClO₄), при цьому LiOH демонструє оптимальні характеристики завдяки ущільненню прекурсору під дією лугу та покращеному міжфазному контакту”, — пояснюють ізраїльські дослідники.
Результати тестування та перспективи застосування
Інноваційна структура анода має так звану “ядро-оболонка”, де частково прелітійовані наночастинки кремнію вкриті шаром силікату літію й інтегровані у пористу електропровідну матрицю. Така конструкція не лише стабілізує ковалентні зв’язки, а й знижує негативний ефект від об’ємного розширення, що зазвичай призводить до деградації кремнієвих анодів.
Під час випробувань прототип анода демонстрував збереження понад 98% місткості після понад 2000 циклів при щільності струму 5 А·г⁻¹, а початкова кулонівська ефективність перевищувала 97%. При ще більш інтенсивних режимах зарядки – 10 А·г⁻¹ – анод підтримував до 63% максимальної місткості, що свідчить про його придатність для швидкісної зарядки важливих для електромобільної індустрії та мобільних пристроїв.
Система також продемонструвала високу циклічну стабільність із мінімальним погіршенням характеристик навіть за тривалого використання. Дослідники підкреслюють, що така технологія дозволяє не лише створювати аноди нового покоління, а й значно знижувати складність і вартість виробництва літій-іонних акумуляторів.
Вчені довели масштабованість процесу, виготовивши анодні електроди довжиною 20 см, які потенційно можуть застосовуватися у рулонних виробничих лініях. У повномасштабних тестах із катодами LiFePO4 батареї не втрачали місткості навіть після 500 циклів при швидкості розряду 1C.
Результати цього дослідження свідчать про значний прогрес у розвитку акумуляторних технологій, що має велике значення для майбутнього енергетики та електротранспорту.