Теперь, команда из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики предложила возможное решение: Оберните каждую кремниевую частицу анода в подобранную на заказ клетку, сделанную из графена, чистой формы углерода, который является самым тонким и самым сильным известным материалом и великий проводник электричества.В отчете, опубликованном 25 января по своей природе энергия, они описывают простой, метод с тремя шагами для строительства микроскопических графеновых клеток просто правильного размера: достаточно просторный, чтобы позволить кремниевой частице расшириться, поскольку батарея заряжает, все же достаточно трудный, чтобы скрепить все части, когда частица разваливается, таким образом, это может продолжить функционировать в высокой производительности. Сильные, гибкие клетки также блокируют разрушительные химические реакции с электролитом.«В тестировании графеновые клетки на самом деле увеличили электрическую проводимость частиц и обеспечили высокую мощность обвинения, химическую стабильность и эффективность», сказал И Цуй, адъюнкт-профессор в SLAC и Стэнфорде, кто привел исследование. «Метод может быть применен к другим материалам электрода, также, делая плотные энергией, недорогие материалы батареи реалистической возможностью».
Поиски кремниевых анодовЛитий-ионные аккумуляторы работают движущимися литиевыми ионами назад и вперед через решение для электролита между двумя электродами, катодом и анодом.
Зарядка батареи вызывает ионы в анод; используя батарею, чтобы сделать работа кладет обратно ионы к катоду.Когда дело доходит до создания кремниевых анодов ученые были загнаны в угол тем, что кремний раздувается к три раза его нормальному размеру во время зарядки. Для Цуя и его сотрудников, поиски сначала привели к анодам, сделанным из кремниевых нанопроводов или наночастиц, которые являются столь небольшими, что они гораздо менее вероятны, чтобы разбиться. Команда придумала множество способов ограничить и защитить кремниевые наночастицы от структур, которые напоминают гранаты к покрытиям, сделанным из полимеров самозаживления или проводящих гидрогелей полимера как используемые в мягких контактных линзах.
Но они были только частично успешны; эффективность получающихся анодов все еще не была достаточно высока, и наночастицы дорогие и трудные произвести.«Этот новый метод позволяет нам использовать намного большие кремниевые частицы, которые составляют один – три микрона, или миллионные части метра, в диаметре, которые являются дешевыми и широко доступными», сказал Цуй. «На самом деле частицы, которые мы использовали, очень похожи на отходы, созданные мукомольными кремниевыми слитками, чтобы сделать полупроводниковые кристаллы; они похожи на части опилок всех форм и размеров.
Частицы, которые это большое никогда не выполняло хорошо в анодах батареи прежде, таким образом, это – очень увлекательный новый успех, и мы думаем, что он предлагает практическое решение».Это – все в покрытииДля графеновых клеток, чтобы работать, они должны соответствовать кремниевым частицам точно.
Ученые достигли этого в серии шагов: Сначала они покрыли кремниевые частицы никелем, который может быть применен в просто правильной толщине. Тогда они вырастили слои графена сверху никеля; счастливо никель действует как катализатор, чтобы способствовать графеновому росту. Наконец они запечатлели никель далеко, оставив как раз достаточно пространства в графеновой клетке для кремниевой частицы, чтобы расшириться.
«Исследователи попробовали много других покрытий за кремниевые аноды, но они все уменьшили эффективность анода», сказал Стэнфорд постдокторский исследователь Кай Янь, который провел эксперименты с аспирантом Юйчжан Ли. «Облегающие графеновые клетки – первое покрытие, которое поддерживает высокую эффективность, и реакции могут быть выполнены при относительно низких температурах».Теперь команда будет работать над точной настройкой процесса, Ли добавил, и над производством содержащихся в клетке кремниевых частиц в достаточно больших количествах, чтобы построить батареи коммерческого масштаба для тестирования.