Кремний может стать альтернативой графитовым анодам в литий-ионных аккумуляторах

В новаторском обзоре, опубликованном в журнале Nature Energy, профессор Джефил Чо из Школы энергетики и химической инженерии UNIST представляет протокол анализа для оценки кремниевых катодных материалов, применимых для коммерческих батарей.

В исследовании подробно рассматриваются характеристики и проблемы, связанные с кремниевыми анодными материалами, которые привлекают большое внимание в качестве вторичных компонентов батарей.

Кремний стал перспективной альтернативой традиционным графитовым анодам в высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторах благодаря своей исключительной гравиметрической емкости. Однако широкому применению силиконовых анодов в аккумуляторах препятствуют такие внутренние проблемы, как сильное объемное расширение при циклировании. Несмотря на огромный прогресс, достигнутый лабораториями в решении этих проблем, большинство используемых в промышленности Si-содержащих батарей, в которых Si-аноды состоят из субоксидов Si или композитов Si-C, могут включать лишь ограниченное количество кремния.

В комплексном анализе, проведенном исследовательской группой, рассматриваются важнейшие факторы, влияющие на практическую плотность энергии кремнийсодержащих батарей. Рассматриваются такие явления, как набухание электродов и напряжение отключения в процессе эксплуатации элементов, а также календарный срок службы, вопросы безопасности и стоимость — все эти аспекты оказывают существенное влияние на практическую конструкцию элементов.

Кроме того, в статье предложены протоколы испытаний, направленные на оценку возможности и жизнеспособности новых разработанных кремниевых анодов. Эти протоколы дают ценную информацию для обеспечения оптимальных характеристик, эффективности, долговечности и безопасности при использовании этих передовых материалов в коммерческих аккумуляторах.

Один из ключевых выводов, сделанных группой профессора Чо, заключается в том, что уменьшение размера частиц кремния до менее чем 5 нм при равномерном диспергировании их внутри проводящих углеродных частиц открывает большие перспективы для преодоления существующих ограничений. Последние достижения исследователей заключаются в осаждении сырья на частицы углеродного композита с помощью газового осаждения — технологии синтеза, позволяющей уменьшить размер частиц до 1 нм. Этот инновационный подход продемонстрировал начальную эффективность, превышающую 90%, и значительно улучшил характеристики срока службы.

Методы оценки кремниевых анодных материалов, которые в настоящее время публикуются в специализированных журналах, несколько ограничены, что затрудняет определение их коммерческой жизнеспособности, — заявил профессор Чо.

Предлагаемый протокол анализа призван восполнить этот пробел и обеспечить комплексную основу для оценки практического потенциала этих материалов в серийно выпускаемых батареях.

28.09.2023