Нанокристаллы олова для будущей батареи

Литий-ионные аккумуляторные батареи
Литий-ионные (литий-ионные) батареи - самые распространенные перезаряжаемые батареи в портативной электронике. Литий-ионные батареи имеют одну из лучших плотностей энергии, отсутствие эффекта памяти, медленную потерю заряда, когда они не используются, и экологически безопасны, поскольку в них нет свободного металлического лития по сравнению с другими типами аккумуляторных батарей. Перезаряжаемые ионно-литиевые батареи являются предпочтительным компактным и легким носителем информации для хранения большого количества энергии в небольшом пространстве. Они обеспечивают питание электромобилей, электровелосипедов, смартфонов и ноутбуков. В настоящее время исследователи во всем мире разрабатывают новое поколение таких батарей с улучшенными характеристиками. В большинстве литий-ионных батарей в наши дни положительный полюс состоит из оксидов переходных металлов кобальта, никеля и марганца, отрицательный полюс графита. Однако в более мощных литий-ионных батареях следующего поколения такие элементы, как олово или кремний, вполне могут быть использованы на минусовой клемме.
Литий-ионные батареи на основе наноматериалов
Исследователи из Лаборатории неорганической химии ETH Zurich и Empa разработали литий-ионные батареи на основе наноматериалов.
Структура
Наноматериал имеет крошечные кристаллы олова в качестве анода батареи. Во время зарядки ионы лития поглощаются этим электродом и снова высвобождаются при разрядке. С большим количеством ионов лития электроды могут поглощать и высвобождать, и, следовательно, в батарее может храниться больше энергии. Здесь каждый атом олова может поглотить как минимум четыре иона лития, но изменяться в объеме. В оловянных электродах кристаллы олова становятся в три раза больше за счет поглощения большого количества ионов лития и снова сжимаются, когда высвобождают их обратно, что является проблемой для исследователей. Если бы электрод был изготовлен из компактного оловянного бруска, это было бы практически невозможно. Чтобы преодолеть этот недостаток, исследователи используют нанотехнологии для получения мельчайших и однородных нанокристаллов олова и встраивают большое их количество в пористую проводящую проницаемую углеродную матрицу.
В процессе разработки наноматериала с идеальным размером и однородностью исследователи следуют двум этапам:формированию небольшого зародыша кристалла и его последующему росту, влияя на время и температуру фазы роста.
Дальнейшее развитие
Благодаря выбору наилучшей углеродной матрицы и связующего вещества для электродов, а также идеальной микроскопической структуре электродов вместе с оптимальным и стабильным жидким электролитом, в котором ионы лития могут перемещаться вперед и назад между двумя полюсами, Исследователи считают, что можно производить экономичные базовые материалы, подходящие для производства электродов, с увеличенной емкостью хранения энергии и сроком службы.