Medlemmar av D. V. Skobeltsyn Institute of Nuclear Physic och kollegor från fakulteten för kemi vid Lomonosov Moscow State University har utvecklat ett nytt kisel- och germaniumbaserat material som avsevärt skulle kunna öka specifika egenskaper hos litiumjonbatterier. Forskningsresultaten har publicerats i Journal of Materials Chemistry A .

Litiumjonbatterier är den mest populära typen av energilagringssystem för moderna elektroniska enheter. De är sammansatta av två elektroder - de negativa (anod) och positiva (katod), som placeras i ett hermetiskt hölje. Utrymmet däremellan är fyllt med en porös separator, blötlagd i en litiumjonledande elektrolytlösning. Separatorn förhindrar kortslutningar mellan de bipolära elektroderna och ger elektrolytvolym, nödvändig för jontransport. Elektrisk ström i en extern krets genereras när litiumjoner extraherar från anodmaterialet och rör sig genom elektrolyten med ytterligare införande i katodmaterialet. Dock, den specifika kapaciteten hos ett litiumjonbatteri definieras till stor del av antalet litiumjoner som kan accepteras och överföras av aktiva material i anoden och katoden.

Forskarna har utvecklat och studerat ett nytt anodmaterial som gör att energieffektiviteten hos Li-ion-batterier kan ökas avsevärt. Materialet är lämpligt för användning i både bulk- och tunnfilms Li-ion-batterier.

Fysikern Victor Krivchenko, en av författarna, säger, "Mycket uppmärksamhet ägnas för närvarande åt utarbetandet av kisel- och germaniumbaserade anodmaterial. När de interagerar med litiumjoner, dessa element är kapabla att generera legeringar vars specifika kapacitet teoretiskt överstiger grafit, det traditionella anodmaterialet som används i moderna litiumjonbatterier."

Bland alla kända anodmaterial, kisel har den högsta gravimetriska litiumkapaciteten, teoretiskt uppnå upp till 4200 mAh/g. Detta gör det till det mest lovande materialet för batterier med förbättrad energitäthet. Germanium är dyrare och har mindre gravimetrisk kapacitet än kisel. Dock, den är bättre på att leda ström. Dessutom, litiumjondiffusion inuti germanium är flera storleksordningar snabbare än inuti kisel. Dessa särdrag hos germanium ger en avsevärd ökning av batteritätheten utan betydande förändring av volymen.

Huvudproblemet med elektrodmaterialen är att deras struktur genomgår betydande nedbrytning i den cykliska processen för laddning och urladdning, vilket resulterar i batterifel. Forskarna föreslår att lösa detta problem med nanostrukturerade material och utveckling av kompositmaterial där kolnanostrukturer kan användas som stabiliserande matriser. Övergång från traditionell tvådimensionell till tredimensionell fördelning av ett aktivt material på elektrodytan kan övervägas som en alternativ lösning.

Victor Krivchenko säger, "Projektets huvudsakliga nyhet är idén att använda en matris bildad av plasma-odlade kolstrukturer med mycket komplex ytarkitektur för implementering av kisel- och germaniumbaserade anodmaterial med önskade strukturella och funktionella egenskaper. Sådana strukturer är sammansatta av täta en rad grafenliknande nanoväggar, vertikalt orienterad mot ytan av ett metalliskt substrat."

Forskarna har tillämpat magnetronförstoftningstekniken, tillhandahållit homogen beläggning av nanoväggar med 10 till 50 nm tjocka kisel- eller germaniumskikt. På samma gång, den slutliga strukturen hos kompositanoden kan vara sammansatt av ett eller alternerande skikt av aktivt material. Det visades att den erhållna tredimensionella arkitekturen ger hög specifik kapacitet och ökar stabiliteten hos specifika egenskaper hos kisel- och germaniumbaserade anoder.

Forskaren säger, "Forskningsresultaten skulle tekniskt kunna underbygga ytterligare utarbetande av lovande elektrodmaterial för nästa generations energilagringssystem. Inom ramen för projektet, forskarna har uppnått resultat i världsklass inom området för nya nanostrukturerade materialapplikationer, tillsammans med att utveckla och studera deras elektrokemiska och fysikalisk-kemiska egenskaper. Studierna har gett nya experimentella data om nanostrukturbeteende i elektrokemiska system."