Трехмерные наноструктурированные композиты позволяют создавать отличные аноды

Схематическое изображение предложенной конструкции анода, состоящего из трех компонент. (кликните картинку для увеличения)

Схематическое изображение предложенной конструкции анода, состоящего из трех компонент. (кликните картинку для увеличения)

18.10.2013 (15:58)
Просмотров: 1927
Рейтинг: 2.00
Голосов: 1

Теги:
анод, энергия, электрод,
Технология >> Нанотехнология






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Группа ученых из США предложила принципиально новую конструкцию электрода на основе наноструктурированных кремниевых частиц, проводящего полимерного гидрогеля и углеродных нанотрубок. По мнению ученых, разработанная структура может быть идеальна для применения в качестве анода в литий-ионных аккумуляторах. По предварительным оценкам производительность батарей на основе подобных электродов может достигать 1600 мА*ч на грамм. Более того, электрод способен выдержать более 1000 циклов перезарядки при силе тока порядка 3,3 А на грамм. А самым главным достоинством разработки является тот факт, что подобные электроды могут создаваться при помощи масштабируемого процесса синтеза и коммерчески доступных методов формирования тонких покрытий.

Кремний считается превосходным и сравнительно дешевым материалом для создания анодов литий-ионных батарей, поскольку он имеет теоретическую производительность в 4200 мА*ч на грамм, что в десять раз превышает лучшие из современных технологий, основанных на графитовых электродах. Однако практическое применение кремния упирается в одну проблему: этот материал расширяется и сжимается на 400% в объеме при переходе от цикла зарядки к разрядке и наоборот. Это приводит к чрезвычайно быстрому повреждению материала, т.е. к ограничению его жизненного цикла.

Проблему, кажется, решила группа ученых из США, предложив пористую конструкцию анода.

Группа ученых из University of Texas (США) создала электрод из частиц наноструктурированного кремния, проводящего полимерного геля, а также углеродных нанотрубок (Si/PPy/CNT) при помощи методов синтеза из раствора. За основу исследователи использовали водный раствор, содержащий проводящие мономеры полимера и агент фитиновой кислоты, а также второй раствор с молекулами персульфата аммония, выступающего в роли инициатора реакции. После соединения растворов к смеси добавляются наночастицы кремния, а также углеродные нанотрубки, созданные при помощи коммерческих методик производства.

В результате воздействия персульфата аммония, в растворе начинается реакция полимеризации, за счет которой на поверхности кремния образуется покрытие, а также трехмерная сеть гидрогеля. Спустя 10 минут после начала реакции, конечная суспензия готова к тому, чтобы ее наносили на медные коллекторы тока для формирования анодов.

Созданная структура позволяет преодолеть описанное выше препятствие в использовании кремния в основе электродов аккумуляторов, поскольку по своей сути она представляет собой трехмерную проводящую пористую матрицу, внутри которой кремний может свободно расширяться. А слой полимера в 20 нм, сформированный на поверхности кремниевых частиц, делает их более стабильными.

Главное достоинство разработки заключается в том, что предложенная технология производства совместима с существующими методиками создания литий-ионных аккумуляторных батарей. Т.е. потенциально подобные аноды могут создаваться в больших количествах и использоваться в следующем поколении литий-ионных аккумуляторов, имеющих гораздо большую плотность запасаемой энергии и более продолжительный срок службы. Последнее – особенно важно, когда речь идет о постоянно растущих потребностях сохранения энергии для питания портативной электроники и электрических транспортных средств.

Детали работы ученых опубликованы в журнале Nano Letters. В настоящее время команда планирует больше времени посвятить изучению электрохимических свойств созданного «тройного» электрода, чтобы лучше понять взаимодействие между мягким полимером и жестким неорганическим кремнием. Конечной целью является моделирование развития электрохимической границы раздела сред в режиме реального времени.

Нравится


Екатерина Баранова

Также по теме:

Источники:



самое популярное


Rambler's Top100