Изобретено самовосстанавливающееся покрытие для электродов

Исследователи изготовили первый аккумуляторный электрод, который восстанавливается самостоятельно.

Так открывается новый метод с коммерческим потенциалом для создания литий-ионных батарей следующего поколения для электрических автомобилей, сотовых телефонов и других устройств.

Секретный компонент — растягивающийся полимер, который покрывает электрод, связывая его и спонтанно восстанавливая крошечные трещины, развивающиеся во время работы батарей, сообщили ученые из Стэнфордского университета.

Результаты исследования и разработки опубликованы в издании Nature Chemistry.

«Самовосстановление весьма важно для выживания и увеличения продолжительности жизни животных и растений», отметил постдок Чао Вонг. "Мы захотели внедрить это свойство в литий-ионные батареи, чтобы увеличит срок их службы".

Чао разработал самовосстанавливающийся полимер в лаборатории профессора Чжэнан Бао, чья группа работает над гибкой электронной кожей для роботов, датчиков, протезов и других нужд. В полимер для батарей ученый добавил крошечные углеродные наночастицы, чтобы тот стал электропроводящим.

«Мы установили, что кремниевые электроды, покрытые инновационным полимером, работают в 10 раз дольше, и все благодаря тому, что любые трещины восстанавливаются за считанные часы», сообщил Бао.

«Их энергетическая емкость и сегодня пребывает в практическом диапазоне, но нам захотелось увеличить его», сказал доцент Йи Ци. Электроды примерно 100 циклов зарядки-разрядки работают без потери эффективности энергетической емкости. „Это все еще далеко от конечной цели, примерно 500 циклов для мобильных телефонов и примерно 3000 циклов для электрических транспортных средств“, сказал Ци. „Но метод работает, а потому мы надеемся добиться дальнейшего прогресса“.

Исследователи всего мира стремятся найти способ сохранять как можно больше энергии в анодах литий-ионных батарей, чтобы добиться повышенной эффективности и сократить их вес. Один из наиболее многообещающих материалов для электродов — кремний. Он обладает высокой эффективностью впитывания ионов лития из электролита в процессе зарядки с последующим их выпуском в процессе работы батареи.

Но эта высокая производительность имеет свою цену: кремниевые электроды становятся втрое больше начального размера и вновь сжимаются каждый раз, когда батарея подвергается зарядку и разрядке. Хрупкий материал очень скоро разрушается, сокращая срок службы батареи. Это настоящая проблема для всех электродов в высокоемких батареях, отметил Хи Ву из университета Синьхуа в Пекине.

Для создания самовосстанавливающегося покрытия ученые намеренно ослабили некоторые химические связи в полимере — длинные цепеподобные молекулы с множеством похожих деталей. Получающийся материал легко разрушается, однако разорванные концы очень быстро соединяются вновь, подражая биологическим молекулам, таким как ДНК, которые регулярно рвутся и соединяются.

Исследователи из лаборатории Ци протестировали массу способов сохранения кремниевых электродов неповрежденными и улучшения их работы. Некоторые из них исследуются для коммерческого использования, а многие включают экзотические материалы и методы производства, которые будет сложно масштабировать.

Самовосстанавливающийся электроды, сделанный из кремниевых микрочастиц, широко используемых в полупроводниках и солнечных батареях, является первым решением, которое предлагает практический прогресс. По словам исследователей, этот подход может работать и с другими материалами, а потому необходимо продолжат совершенствовать технологию для улучшения эффективности и долговечности кремниевых электродов.