Оловянные нанокристаллы: новая граница для высокоемких литий-ионных батарей

Литий-ионные перезаряжаемые батареи

Литий-ионные батареи доминируют в портативной электронике, электромобилях и стационарном хранении благодаря высокой энергетической плотности, пренебрежимому эффекту памяти, низкому саморазряду и экологической безопасности. Текущие коммерческие ячейки используют оксиды переходных металлов (Co, Ni, Mn) на катоде и графит на аноде. Следующее поколение ячеек исследует высокоемкие аноды на основе олова или кремния.

Наноматериальные литий-ионные батареи

Исследователи из Лаборатории неорганической химии ETH Цюрих и Empa пioniировали анод из оловянных нанокристаллов, обещающий более высокую емкость и более долгий цикл жизни.

Структура и принцип работы

Анод состоит из оловянных нанокристаллов, каждый способный интеркалировать минимум четыре литий-иона на атом олова. Во время заряда литий-ионы поглощаются, вызывая разбухание оловянных зерен до трех раз; при разряде кристалл сжимается обратно. Это большое объемное изменение смягчается диспергированием нанокристаллов в пористой проводящей углеродной матрице, которая буферизует расширение и сохраняет электрическую связность.

Фabрикация включает двухступенчатый процесс: нуклеацию равномерных оловянных семян с последующим контролируемым ростом через точное тайминг и регуляцию температуры, давая частицы оптимального размера и последовательности.

Будущее развитие

Выбором оптимальной углеродной матрицы, связующих агентов и стабильного электролита исследователи стремятся создать экономически эффективные электроды, дающие увеличенное накопление энергии и продленную жизнь. Такие достижения могут сделать высокопроизводительные батареи на оловянных нанокристаллах коммерчески жизнеспособными для электромобилей и потребительской электроники.