Способ увеличения удельной емкости и числа циклов зарядки-разрядки литий-ионных батарей за счет улучшения структуры анодного материала разработали специалисты отдела прикладной физики физического факультета (ФФ) Новосибирского государственного университета (НГУ) в сотрудничестве с коллегами из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, 6 июня сообщает пресс-служба НГУ.

Способ синтеза нанопорошка на основе кремния для изготовления из него анодов литий-ионных батарей, разработанный учеными отдела прикладной физики ФФ НГУ под руководством зав. отделом Александра Зарвина, был запатентован вузом. Во внедрении этой разработки заинтересованы индустриальные партнеры НГУ.

Нанопорошок для анодов получают пиролизом (термическим разложением) кремний- и углерод-содержащих газов и последующим синтезом твердых веществ кремний-углеродного состава. Нагревание исходных газов до высоких температур производится методом адиабатического (без обмена теплом с окружающей средой) сжатия, в результате чего газы разлагаются до атомарного уровня.

Процесс проходит в установке «Гипербар» — циклическом химическом реакторе сжатия (ЦХРС). Давление в точке наибольшего сжатия (верхняя мертвая точка) в ней достигает 3–12 МПа, в десятки раз превышая атмосферное, что приводит к нагреванию и разложению газов. Далее идет стадия расширения, при которой атомы кремния и углерода образуют композитные наночастицы размером несколько десятков нанометров, составляющие основу анодного материала.

Сотрудник отдела Борис Ездин пояснил, в чем достоинство такого композита:

«Наряду с высокой электрической емкостью кремний характеризуется очень низкой стойкостью к циклам заряда-разряда. При заряде кремний претерпевает трехкратное увеличение объема и без каких-либо ухищрений после первых же циклов заряда-разряда структура кремния разрушается, а его емкость катастрофически падает. Создание структуры с кремниевым ядром и углеродной оболочкой представляется решением проблемы. Прочная углеродная оболочка должна обеспечить удержание кремния в ядре от разрушения, а ее высокая электропроводность обеспечивает высокие электропроводящие характеристики анода».

Способом, предложенным учеными НГУ, можно получать именно такие наночастицы — с кремниевым ядром и углеродной (графеновой) оболочкой. Образующийся как побочный продукт реакции газообразный водород также представляет коммерческий интерес. При этом данный способ создания нанопорошков выгодно отличается от других высокой производительностью и высокой однородностью размеров частиц порошка.

«Для литий-ионных батарей весьма перспективными считаются порошки, в которых кремний совместно с углеродом образует композит. Оказалось, что именно этот порошок позволяет увеличить удельную емкость таких батарей, причем не на проценты, а в несколько раз. Для начала — в два, но это не предел», — рассказал Борис Ездин.

Как показали исследования, анодный материал для литий-ионных батарей, который получили ученые НГУ, обладает высокой устойчивостью структуры в процессе циклирования и высокими удельными электрохимическими характеристиками.

Это делает изобретенный ими способ производства материала перспективным для изготовления мощных литий-ионных аккумуляторов, применяемых для питания крупногабаритных электростанций, а также гибридных и электрических транспортных средств, систем бесперебойного электроснабжения, робототехники и автономных устройств, компьютеров и мобильных телефонов, считают разработчики.