"Мятый" графен повысит срок службы литий-ионных батарей

Открытие сделано учеными Северо-Западного университета в штате Иллинойс, пишет Science Daily. Для того, чтобы продлить срок жизни литий-ионных батарей нужен особый вид графена — «мятый». Его добавление замедляет процесс разрушения и выхода батареи из строя.

Ученые объясняют, что в современных литий-ионных батареях атомы лития в аноде распределяют в других материалах, например, в графите или кремнии. Но такой подход приводит к тому, что производительность батареи снижается, потому что концентрация лития снижается. Авторы работы спрашивают, зачем литий разбавлять чем-то, ведь он уже металл — почему бы не использовать его сам по себе.

Ответ кроется в исследовательской задаче, которой ученые занимались годы. Когда литий заряжается и разряжается в батарее, он постепенно образует дендриты — сеть кристаллических отростков, которые разрастаются по батарее, как деревья. Это приводит к ряду проблем. В лучшем случае пользователь замечает обычное и плавное ухудшение производительности батареи, в худшем — она может воспламениться. К слову, именно дендриты обвиняли в серии возгораний смартфонов от Samsung.

Сейчас производители решают эту проблему дополнительно добавляя пористые структуры, например, из углеродных материалов. Они не позволяют дендритам разрастаться, уничтожая батарею. Но, во-первых, такой подход увеличивает размеры батареи. А во-вторых, эта система со временем также теряет в надежности. Но команда ученых на этот раз использовала другой подход. Он решает стабильно проблему дендритов и при этом позволяет использовать в батареях больше лития при меньших весе и размере.

Ученые заменили подложку из углеродных материалов шариками «мятого» графена. Материал называется мятым, потому что с виду похож на смятые в шары листы бумаги. И свойства этого графена тоже во многом повторяют бумажные шарики. При появлении нагрузки они сжимаются, при ее отсутствии восстанавливаются в размерах. Таким образом они и защищают от дендритов, и восстанавливают свою форму, когда слой выпавшего на них лития сокращается. Для сравнения, обычные батареи могут содержать в себе слои лития толщиной несколько десятков микрон, то с этой технологией толщина увеличивается до 150 микрон.