Ученые Института электродвижения МФТИ предложили технологичное решение для увеличения срока службы высокоёмких литий-ионных аккумуляторов с кремниевым анодом. Исследователи использовали перфорированную медную фольгу с отверстиями вместо традиционной сплошной металлической подложки. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Composites Science.
Литий-ионные батареи широко применяются в электромобилях, дронах и портативной электронике, однако их ёмкость уже приближается к теоретическому пределу. Замена графитового анода на кремниевый позволяет почти в десять раз повысить теоретическую ёмкость, обеспечить быструю зарядку и работу при низких температурах. Тем не менее кремниевые аноды имеют существенный недостаток: в процессе зарядки и разрядки частицы кремния поглощают и отдают ионы лития, увеличиваясь в объёме в три-четыре раза, а затем сжимаясь. Это приводит к образованию трещин, отслаиванию материала и быстрому выходу аккумулятора из строя.
Перфорированная фольга вместо сплошной подложки
Специалисты МФТИ изменили не состав активного материала, а конструкцию токосъёмной подложки. Вместо сплошного металла команда использовала перфорированную медную фольгу с отверстиями диаметром 250 и 500 микрометров.
«Накопленный опыт учёных со всего мира подсказал, что продлить ресурс батарей с анодом из кремния можно, например, с помощью губчатых металлических подложек со сложной трёхмерной структурой. Но производить их дорого, а внедрять в серийное производство технологически сложно. Мы нашли другой, очень простой и легко масштабируемый вариант — перфорировать медную фольгу, прежде чем наносить на неё электродный материал», — пояснил Валерий Кривецкий, заведующий лабораторией инженерии и технологий химических источников тока МФТИ.
Такая конструкция формирует трёхмерную структуру анода, где активный кремний-графитовый композит пронизывает токопроводящий металлический лист. Это обеспечивает значительно большую стабильность по сравнению с обычным электродом, у которого активный материал нанесён ровным слоем на обе стороны токосъёмника.
Результаты экспериментов: рост стабильности до 90%
Эксперименты показали, что замена сплошной медной фольги на перфорированную позволила сохранить ёмкость кремнийсодержащего анода на уровне от 60 до 90% после 100 циклов заряд-разряд. Аналогичный эффект был достигнут и при четырёхкратном повышении тока разряда. При этом чем меньше диаметр отверстия в фольге, тем более выраженным оказался эффект стабилизации.
«Мы ещё не до конца понимаем, как перфорированная фольга позволяет стабилизировать работу кремнийсодержащих анодов. Скорее всего на это влияют и механические свойства такой взаимопроникающей структуры, и пропитка пористой плёнки электролитом, и распределение связующих компонентов, и их прочное соединение с подложкой. Возможно, активный материал, который проникает в отверстия в фольге, выполняет роль «стежков» и прочно связывает обе стороны электрода между собой. Это не даёт ей отслаиваться», — отметила Олеся Каракулина, старший научный сотрудник лаборатории инженерии и технологий химических источников тока МФТИ.
Готовность к внедрению в производство
Разработка может быть внедрена в серийное производство без существенных изменений технологической базы. В ходе исследования учёные использовали только коммерчески доступные материалы и оборудование, которое уже широко применяется на производственных площадках.
«Наша следующая задача — масштабировать этот подход, опробовать его на анодных материалах с ещё большим содержанием кремния и изготовить серию высокоёмких аккумуляторов с большим циклическим ресурсом на участке экспериментального производства нашего института», — сообщил Шахбоз Исокжанов, первый автор публикации, аспирант лаборатории инженерии и технологий химических источников тока МФТИ.
Решение позволит сделать производство компактных и энергоёмких батарей более доступным и эффективным, что особенно актуально для электротранспорта и портативной электроники.