Znalazłem sposób na 10-krotne zwiększenie pojemności akumulatorów litowo-jonowych

Na całym świecie dziesiątki grup badawczych poszukuje możliwości znacznego zwiększenia pojemności akumulatorów litowo-jonowych. Wprowadzenie krzemu do konstrukcji jest uważane za obiecujący kierunek, ale jego kruchość, kruchość opartych na nim związków i inne problemy nie pozwalały na to przez długi czas.

Ale wygląda na to, że naukowcom w Japonii udało się znaleźć rozwiązanie problemu krzemu. Wymyślili nowy projekt anody, wykonanej z nanorozmiarowych łuków krzemowych, które zapewniają niezbędną wytrzymałość i trwałość.

Nowoczesne akumulatory litowo-jonowe i ich wady

Na początek kilka słów o działaniu akumulatorów litowo-jonowych. Tak więc, jak wiesz, bateria składa się z pary elektrod (katody i anody) oraz roztworu elektrolitycznego. Tak więc głównym zadaniem elektrolitu jest przenoszenie jonów litu między katodą a anodą, która jest właśnie wykonana z grafitu.

Tak więc podczas ładowania akumulatora jony litu poruszają się wzdłuż ścieżki katoda-roztwór-anoda. W procesie rozładowywania ruch jonów następuje w przeciwnym kierunku.

Ten projekt sprawdził się dobrze i działał przez kilkanaście lat. Ale główna wada tej całej debugowanej konstrukcji polega na tym, że sześć atomów węgla musi być używanych jednocześnie w anodzie grafitowej, aby przechowywać jeden jon litu. Z tego powodu te akumulatory mają niską gęstość energii.

Krzem i jego zastosowania

Niemniej jednak, jeśli spojrzymy na taki materiał jak krzem, to jeden z jego atomów jest w stanie związać się jednocześnie czterema jonami litu, co daje prawie 10-krotny wzrost gęstości energii. Wydaje się, że wszystko jest w porządku, ale naukowcom nadal nie udało się ustabilizować krzemu.

Ponieważ jest podatny na znaczną ekspansję (do 400% pierwotnej objętości), skurcze i pęknięcie podczas pracy akumulatora, wówczas wszystkie te efekty odkształcenia zniszczyły anody silikonowe wystarczająco szybko.

Zespół badawczy z Okinawa Institute of Graduate Technology and Technology (OSIT) zaproponował rozwiązanie problemu stabilizacji anody krzemowej. Inżynierowie przeprowadzili cały szereg eksperymentów z warstwami krzemu o różnej grubości w poszukiwaniu złotego środka, w którym zostaną spełnione warunki wysokiej gęstości energii i stabilności baterii.

Naukowcy odkryli, że wraz ze wzrostem warstwy krzemu najpierw następuje wzrost sztywności, a po pewnym momencie następuje gwałtowny spadek. Postanowiono zbadać bardziej szczegółowo przyczynę tej zmiany i to właśnie udało się ustalić naukowcom.

Okazało się, że gdy krzem osadza się na metalicznych nanocząstkach, zaczynają formować się maleńkie kolumny w postaci odwróconych stożków, gęstniejące ku górze.

Okazuje się, że wraz z osadzaniem się coraz większej liczby atomów krzemu, a tym samym wzrostem filarów, stają się tak szerokie, że stykają się ze sobą, tworząc w ten sposób łukowatą strukturę o wielkości nanometra skala.

Taka konstrukcja jest dość mocna i używana nawet przez ludzi w budownictwie. I okazuje się, że zanim te nano łuki powstały, struktura jest raczej słaba, a ich jeszcze większy wzrost tworzy gąbczastą strukturę z dziurami, co nie jest tak efektowne.

I dopiero w momencie tworzenia takich łuków powstaje równowaga, która umożliwia zapewnienie zwiększonej pojemności ładunkowej i jest w stanie wytrzymać dużą liczbę cykli ładowania / rozładowania.

Nie wiadomo jeszcze, kiedy trafią do sprzedaży nowe akumulatory litowo-jonowe z anodą silikonową, ale już na tym etapie można rozpoznać obiecujący kierunek.

Podobał Ci się materiał? Następnie unieś palec i zasubskrybuj kanał. Dziękuję za uwagę!