Дубна-inform

Результаты мирового уровня

07:49 09.09.2017

При содействии специалистов из Дубны создан материал для увеличения срока службы литий-ионных аккумуляторов.

Сотрудники Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына вместе с коллегами с химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова разработали новый материал на основе кремния и германия, с помощью которого можно существенно повысить удельные характеристики литий-ионных аккумуляторов. Результаты работы были опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Университета Дубна, Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева (Казахстан) при технической поддержке специалистов компании «Инжиниринговый инкубатор».

Литий-ионные аккумуляторы — наиболее часто используемый тип накопителей энергии в современных электронных устройствах. Такие аккумуляторы состоят из двух электродов, отрицательного (анода) и положительного (катода), которые помещены в герметичный корпус. Пространство между ними заполнено пористым сепаратором, пропитанным электролитом — растворенной литиевой солью. Сепаратор предотвращает короткое замыкание между разнополярными электродами и обеспечивает необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита. Электрический ток во внешней цепи возникает, когда ионы лития движутся из вещества анода через электролит в вещество катода. При этом энергоемкость литий-ионного аккумулятора во многом определяется количеством ионов лития, которые могут принять и перенести активные материалы анода и катода.

Ученые разработали и исследовали новый анодный материал, позволяющий заметно повысить энергоэффективность литий-ионных аккумуляторов, в том числе используемых в тонкопленочных приложениях.

— Сегодня большое внимание уделяется разработке анодных материалов на основе таких элементов, как кремний (Si) и германий (Ge). Эти элементы при взаимодействии с ионами лития способны образовывать сплавы, теоретическая энергоемкость которых значительно превышает емкость графита — традиционного анодного материала современных литий-ионных аккумуляторов, — рассказал Виктор Кривченко, один из авторов статьи, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики плазмы и физических основ микротехнологии отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ.

Из всех известных анодных материалов кремний обладает наибольшей теоретической литиевой емкостью, достигающей 4200 мАч/г, что делает его наиболее перспективным материалом для аккумуляторов с повышенной энергоемкостью. В свою очередь, германий, хоть он дороже и менее емкий, чем кремний, лучше проводит через себя электрический ток. При этом перенос ионов лития (диффузия) внутри германия протекает на несколько порядков интенсивнее, чем внутри кремния. Такие особенности германия позволяют значительно увеличить мощность литий-ионных аккумуляторов без существенного изменения их объема.

Основная проблема электродных материалов заключается в том, что их структура разрушается в цикличном процессе заряда и разрядки, что приводит к выходу литий-ионного аккумулятора из строя. Ученые предлагают решить эту проблему с помощью перехода к наноструктурированным материалам и создания композитных материалов, где в качестве стабилизирующей матрицы могут выступать различные углеродные наноструктуры. Альтернативный вариант решения — переход от традиционного двухмерного к трехмерному распределению активного вещества на поверхности электродов.

— Главная новизна представленной работы заключается в том, что для реализации анодных материалов с требуемыми структурными и функциональными свойствами на основе кремния и германия использовалась матрица, сформированная плазмохимически синтезированными углеродными структурами с очень развитой поверхностью. Такие структуры представляют собой плотный массив графеноподобных наностенок, ориентированных перпендикулярно к поверхности металлической подложки, — рассказал Виктор Кривченко.

В ходе работы ученые использовали метод магнетронного напыления, что позволило им однородно покрыть поверхность наностенок слоем кремния или германия толщиной 10-50 нанометров. При этом конечная структура композитного анода может состоять как из одного слоя активного материала, так и из чередующихся слоев. В результате было показано, что полученная трехмерная архитектура позволяет достигнуть высокой удельной емкости и повышает стабильность удельных характеристик анодов на основе кремния и германия.

— Результаты представляют существенную научно-техническую основу для дальнейшего создания перспективных электродных материалов для накопителей энергии нового поколения. В рамках работы были достигнуты научные результаты мирового уровня в области разработки, исследования электрохимических и физико-химических свойств, а также применения новых наноструктурных материалов. Проведенные исследования позволили получить новые экспериментальные данные, способствующие расширению теоретических знаний о поведении наноструктур в электрохимических системах, — заключил ученый.

По информации МГУ имени М.В.Ломоносова

Оставить комментарий