Однако необратимое истощение ионов лития в кремниевых анодах является серьезным препятствием на пути разработки литий-ионных аккумуляторов следующего поколения.

Ученые из инженерной школы Джорджа Р. Брауна при Университете Райса разработали легко масштабируемый метод оптимизации предварительного литиирования - процесса, который помогает снизить потери лития и увеличивает срок службы батареи за счет покрытия кремниевых анодов стабилизированными частицами металлического лития (SLMP).

Лаборатория Райса, инженер-химик и биомолекулярный инженер Сибани Лиза Бисвал, обнаружила, что нанесение на аноды распылением смеси частиц и поверхностно-активного вещества увеличивает срок службы батареи на 22-44%. Элементы питания с большим количеством покрытия изначально обладали более высокой стабильностью и сроком службы. Однако существовал недостаток: при циклировании на полной мощности большее количество частиц покрытия приводило к большему улавливанию лития, что приводило к более быстрому разряду батареи в последующих циклах.

Исследование опубликовано в Применяемые в СКУД энергетические материалы.

Замена графита кремнием в литий-ионных батареях значительно повысила бы их плотность энергии ? количество запасенной энергии в зависимости от веса и размера ? потому что графит, который сделан из углерода, может удерживать меньше ионов лития, чем кремний. Для каждого отдельного иона лития требуется шесть атомов углерода, в то время как всего один атом кремния может связываться с четырьмя ионами лития.

"Кремний - один из тех материалов, который способен действительно повысить плотность энергии на анодной стороне литий-ионных аккумуляторов", - сказал Бисвал. "Вот почему в настоящее время в области аккумуляторной техники наблюдается такой толчок к замене графитовых анодов кремниевыми".

Однако кремний обладает и другими свойствами, которые создают проблемы.

"Одна из основных проблем с кремнием заключается в том, что он постоянно образует то, что мы называем межфазным слоем твердого электролита или слоем SEI, который фактически потребляет литий", - сказал Бисвал.

Этот слой образуется, когда электролит в элементе аккумуляторной батареи вступает в реакцию с электронами и ионами лития, в результате чего на аноде образуется нанометровый слой солей. После образования слой изолирует электролит от анода, предотвращая продолжение реакции. Однако SEI может выходить из строя во время последующих циклов зарядки и разрядки, и, по мере его восстановления, это необратимо истощает запас лития в батарее еще больше.

"Объем кремниевого анода будет изменяться по мере цикличности работы батареи, что может нарушить работу SEI или иным образом сделать его нестабильным", - сказал Куан Нгуен, доктор химических наук и биомолекулярной инженерии и ведущий автор исследования. "Мы хотим, чтобы этот слой оставался стабильным на протяжении последующих циклов зарядки и разрядки аккумулятора".

Метод предварительного литиирования, разработанный Бисвал и ее командой, улучшает стабильность слоя SEI, что означает, что при его образовании расходуется меньше ионов лития.

"Предварительное литиирование - это стратегия, разработанная для компенсации потери лития, которая обычно происходит с кремнием", - сказал Бисвал. "Вы можете думать об этом с точки зрения грунтования поверхности, например, когда вы красите стену и вам нужно сначала нанести грунтовочный слой, чтобы убедиться, что краска прилипла. Предварительная литиевая обработка позволяет нам "загрунтовать" аноды, чтобы батареи имели гораздо более стабильный и длительный срок службы".

Хотя эти частицы и предварительное литиирование не являются чем-то новым, лаборатория Biswal смогла усовершенствовать этот процесс таким образом, чтобы его можно было легко внедрить в существующие процессы производства аккумуляторов.

"Одним из аспектов процесса, который определенно является новым и который разработал Кван, было использование поверхностно-активного вещества, помогающего диспергировать частицы", - сказал Бисвал. "Об этом ранее не сообщалось, и это то, что позволяет вам получить равномерный разброс. Таким образом, вместо того, чтобы они скапливались в разных ячейках внутри батареи, они могут быть равномерно распределены".

Нгуен объяснил, что смешивание частиц с растворителем без поверхностно-активного вещества не приведет к получению однородного покрытия. Более того, нанесение покрытия распылением оказалось более эффективным для достижения равномерного распределения, чем другие методы нанесения на аноды.

"Метод нанесения покрытия распылением совместим с крупномасштабным производством", - сказал Нгуен.

Контроль циклической емкости ячейки имеет решающее значение для этого процесса.

"Если вы не контролируете мощность, с которой вы задействуете элемент, большее количество частиц запустит этот механизм улавливания лития, который мы обнаружили и описали в статье", - сказал Нгуен. "Но если вы будете циклировать ячейку с равномерным распределением покрытия, то улавливания лития не произойдет.

"Если мы найдем способы избежать улавливания лития путем оптимизации стратегий циклирования и количества SLMP, это позволит нам лучше использовать более высокую плотность энергии анодов на основе кремния".

Бисвал - профессор химической инженерии Уильяма М. Маккарделла из университета Райс, профессор материаловедения и наноинженерии и заместитель декана по развитию факультета.

Исследование было поддержано университетской исследовательской программой Ford Motor Co., Национальным научным фондом (1842494, CBET-1626418) и Управлением совместного использования оборудования в Rice.