AM&I: Пористые электроды из оксида кремния — прорыв в хранении энергии

Батареи стали неотъемлемым компонентом современных технологий. Литий-ионные батареи, или ЛИБ, можно встретить практически повсюду — от портативных электронных устройств и электромобилей до крупных блоков питания, используемых в системах генерации возобновляемой энергии.

Однако существующие конструкции ЛИБ страдают от ряда недостатков, включая низкую долговечность и использование токсичных жидких электролитов.

Чтобы устранить эти недостатки, ученые уже более десяти лет изучают полностью твердотельные батареи. Хотя теоретически полностью твердотельные батареи на основе кремния должны быть более долговечными, чем обычные ЛИБ, пока это еще не стало реальностью. Когда цельнолитая батарея на основе кремния проходит циклы заряда/разряда, отрицательный электрод из Si неоднократно расширяется и сжимается. Это создает значительное механическое напряжение на границе раздела между электродом и жестким твердым электролитом, что в конечном итоге приводит к растрескиванию, отслоению и необратимому снижению производительности.

На этом фоне исследовательская группа под руководством профессора Такаюки Дои из Университета Дошиша (Япония) изучила перспективное решение для полностью твердотельных батарей. Как объясняется в их последней работе, которая опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, исследователи изучали, может ли добавление пор в электрод из оксида кремния (SiOx) предотвратить проблемы растрескивания и отслаивания, вызванные расширением и сжатием, наблюдаемыми в электродах из Si. Соавторами исследования выступили доктор Кохей Марумото из Университета Дошиша (Япония) и доктор Киётака Накано из Hitachi High-Tech Corporation (Япония).

Для проверки своей гипотезы исследователи синтезировали пористые электроды SiOx методом радиочастотного напыления и использовали их для изготовления различных полностью твердотельных элементов, используя Li-La-Zr-Ta-O (LLZTO) в качестве твердого электролита. Они детально проанализировали полученные поровые структуры с помощью современных методов сканирующей электронной микроскопии и исследовали их корреляцию с общей производительностью ячеек после многократных циклов заряда/разряда.

Интересно, что высокопористые электроды SiOx показали гораздо лучшие результаты при циклировании по сравнению с непористыми SiOx, которые страдали от сильного падения емкости после циклирования. Микроскопические наблюдения четко объяснили, что происходит на нанометровом уровне.

Непористый SiOx частично отшелушился от электролита LLZTO к 20-му циклу, что соответствует резкому снижению емкости и росту внутреннего сопротивления, которые мы наблюдали, — говорит доктор Дои.

В отличие от этого, хотя первоначально наблюдаемая структура пор пористого SiOx разрушилась в результате многократного расширения и сжатия, оставшиеся поры по-прежнему служили буфером против внутренних и межфазных напряжений. Это в конечном итоге помогло сохранить межфазное соединение между электродом и электролитом.

Одним из существенных ограничений для использования Si и SiOx электродов в твердотельных батареях является то, что их толщина должна быть очень мала (менее микрометра), чтобы предотвратить растрескивание и отшелушивание. Однако после добавления пор в SiOx удалось добиться стабильных циклов заряда-разряда даже в пленках SiOx толщиной 5 мкм. Это означает значительное увеличение эффективности использования пространства, поскольку на единицу объема можно запасти больше энергии.

Толщина пленок SiOx, которой мы добились, позволила получить плотность энергии отрицательного электрода примерно в 17 раз выше, чем у обычных непористых кремниевых электродов, — подчеркивает доктор Дои.

В совокупности результаты этого исследования проливают свет на то, как пористые структуры могут быть использованы для раскрытия истинного потенциала полностью твердотельных батарей. Такие энергоаккумуляторы будут играть решающую роль на пути к устойчивому развитию общества, учитывая их перспективное применение в бытовой и промышленной энергетике. Кроме того, благодаря повышенному уровню безопасности и более длительному сроку службы, полностью твердотельные батареи могут сделать электромобили гораздо более привлекательным вариантом для потребителей.

Мы ожидаем, что результаты нашего исследования внесут многогранный вклад в достижение целей устойчивого развития, причем не только в плане противодействия изменению климата на основе сокращения выбросов углерода, но и в плане экономического роста и развития городов, — добавляет доктор Дои, делясь своими заключительными мыслями.

Потребуются дальнейшие исследования для полной оптимизации пористой структуры твердых электролитов SiOx, чтобы достичь максимальной производительности в полностью твердотельных батареях. Если повезет, будущие разработки в этой захватывающей области приведут к столь необходимому прорыву в области хранения энергии.

Ранее ученые просветили работающие батареи рентгеном и наблюдали, как там у них внутри все происходит.

14.12.2024