Samsung разработал метод удвоения ёмкости аккумуляторов
В Samsung разработали способ защиты кремниевых анодов в аккумуляторных батареях. Предложенная исследователями конструкция позволяет добиться практически двукратного увеличения ёмкости батареи при адекватном сроке эксплуатации.
Исследователи из Samsung Electronics и ряда южнокорейских НИИ разработали анод для литиево-ионных батарей, позволяющий почти вдвое повысить ёмкость элемента питания. Работа была опубликована в журнале Nature Communications. Samsung в настоящее время патентует разработку.
Электрический аккумулятор состоит из электродов (катода и анода) и электролита. В современных литиево-ионных аккумуляторах используют анод из графита. Этот материал зарекомендовал себя благодаря относительно высокой плотности заряда и долговечности. Однако развитие микроэлектронной промышленности ведёт к повышению требований к источникам питания. Исследователи экспериментируют с новыми материалами для батареи. Весьма перспективным сырьём для катода считается кремний - тот же материал, который используется в микрочипах.
Кремний позволяет достичь 10-кратного увеличения плотности электрического заряда по сравнению с анодами из графита. Однако есть и обратная сторона - во время заряда батареи такой анод расширяется, в во время разряда - сужается. В результате он растрескивается и быстро выходит из строя. В Samsung придумали способ защиты от этого эффекта, что позволяет достичь приемлемого эксплуатационного срока.
Суть изобретения заключается в применении графена - перспективного материала, представляющего собой двухмерную решётку из атомов углерода. Samsung предложил оборачивать фрагментами графена наночастицы кремния в аноде по принципу расположения листьев в кочане капусты. При расширении наночастиц в процессе заряда батареи фрагменты графена будут раздвигаться, но по-прежнему закрывать кремний.
Инженеры также разработали способ нанесения графена на наночастицы кремния без образования его карбида - диэлектрика, снижающего эксплуатационные характеристики источника питания.
Фрагменты графена накрывают наночастицу кремния, подобно листьям капусты в кочане
По словам авторов работы, полученная батарея с кремниевым анодом обладает в 1,8 раза более высокой плотностью электрического заряда при первом цикле зарядки и в 1,5 раза при 200 цикле перезарядки.
Проблемой быстрого разрушения кремниевых анодов занимаются исследователи со всего мира. В начале 2014 г. учёные из Стэнфордского университета и лаборатории SLAC National Accelerator при Министерстве энергетики США предложили похожий способ защиты от деформации - поместив частицы кремния в оболочку из углерода, которая бы ограничивала расширение материала.