Сложные алюминиевые наночастицы позволят кардинально улучшить параметры аккумуляторных батарей

Исследователи из Массачусетского технологического института, США, и университета Цинхуа, Китай, нашли способ утроить емкость анодов, электродов, притягивающих отрицательно заряженные ионы в литий-ионных аккумуляторных батареях. Кроме увеличения емкости предлагаемый метод может обеспечить увеличение срока жизни батарей, более быстрое время их заряда и разрядки. Новый электрод, в котором использованы алюминий-титановые наночастицы, достаточно прост в производстве и его применение имеет огромный потенциал, особенно в системах аккумулирования энергии большой мощности.

Литий-ионные аккумуляторы, используемые в наших смартфонах, планшетах и ноутбуках, хранят несущие энергию ионы в районе положительно заряженного электрода, сделанного, обычно, из графита. В теории, в качестве материала электрода могут быть использованы и другие материалы, которые обеспечат лучшие параметры батарей, большую емкость, большую плотность хранения энергии и т.п. Но каждый альтернативный вариант имеет и свои собственные недостатки. Литиевый электрод может хранить в 10 раз большее количество энергии, нежели графит, но литий является склонным к воспламенению материалом, кремний и олово также могут выиграть у графита по ряду параметров, но только при условии слишком медленного заряда и разряда, что абсолютно непрактично.

Многие из альтернативных материалов имеют тенденцию чувствительно изменять свой объем. Возникающие деформации приводят к появлению механических напряжений, которые, в течение длительного времени, повреждают контакты электродов, уменьшают емкость аккумулятора и вообще могут стать причиной повреждения его корпуса.

Группа исследователей, о которой речь шла в самом начале, нашла путь решения большинства проблем существующих аккумуляторов. А ключевым моментом этого решения стали наночастицы с твердой внешней оболочкой из титана и внутренним алюминиевым "желтком", который может свободно расширяться и сжиматься внутри титановой "скорлупы" в определенных пределах. Это позволяет внутренней алюминиевой наночастице хранить и высвобождать ионы, а титановая оболочка предохраняет структуру электрода от повреждений, что приводит к увеличению емкости и срока службы батареи.

Алюминий является относительно дешевым материалом, который, подобно литию и кремнию, позволяет хранить больше энергии, нежели графит. Однако, он не рассматривался в качестве материала для литий-ионных аккумуляторов из-за того, что алюминиевые частицы из-за постоянных циклов расширения-сжатия постепенно теряют внешние слои. "Упаковка" алюминиевых частиц в раковину из диоксида титана или чистого титана предотвращает потерю материала и позволяет использовать алюминий в качестве основного материала электрода аккумуляторной батареи.

Для производства сложных наночастиц исследователи взяли алюминиевые наночастицы, диаметром около 50 нанометров, и поместили их в раствор, содержащий серную кислоту и оксисульфат титана. В результате произошедших там химических реакций каждая наночастица получила твердую оболочку , толщиной от трех до четырех нанометров. После пребывания в кислоте в течение нескольких часов размеры алюминиевых наночастиц уменьшились до 30 нанометров, что дало им достаточно свободного пространства внутри оболочки для того, чтобы привлечь ионы лития, расшириться, но при этом не затронуть и не повредить структуру электрода батареи.

Производя тестирование электродов нового типа, ученые выяснили, что внешние оболочки наночастиц стали незначительно толще после 500 циклов интенсивной заряда-разрядки. Алюминиевые наночастицы при этом практически не потеряли массы и не были повреждены. В то время, как стандартный графитовый электрод обеспечивает емкость 0.35 ампер-часа на грамм, новый электрод смог обеспечить в три раза большую емкость, 1.2 ампер-часа на грамм. После проведения интенсивных испытаний, по шесть минут на каждую полную зарядку и разрядку, емкость нового электрода стала составлять 0.66 ампер-часа на грамм, что в два раза лучше показателей электродов из других альтернативных материалов.

Низкая стоимость алюминия, наряду с простым и масштабируемым процессом производства наночастиц, могут обеспечить достаточно хорошее будущее этой технологии. А исследователи к настоящему времени уже создали опытные образцы полных ячеек аккумуляторных батарей, в которых второй электрод был изготовлен из фосфата железа. В недалеком будущем эта технология будет готова выйти из стен лаборатории и войти в реальный мир, став основой новых аккумуляторных батарей, имеющих высокую емкость, меньшую массу и габариты, способные заряжаться за короткое время и имеющих более длинный срок службы.