Литий-ионные аккумуляторы (LIB) широко используются в различных мобильных электронных устройствах. Беспокойство о глобальном потеплении и изменении климата недавно увеличило спрос на LIB для электромобилей и сглаживания солнечной фотоэлектрической мощности. Кремний (Si) был исследован как активный материал благодаря своей высокой теоретической емкости — 3578 мА·ч/г, что примерно в десять раз больше, чем у графита (372 мА·ч/г).
Недавно команда исследователей из Университета Осаки использовала нанопорошок кремния в виде пластинок, обернутых ультратонкими графитовыми слоями (GS), для изготовления электродов LIB с высокой емкостью по площади и плотности тока.
Обычно кремниевые стружки, которые считаются промышленными отходами, образуются с темпом 100 000 тонн в год по всему миру. Они происходят из кремнезема, который перерабатывается в слитки кремния при температурах 1000–1800 °C. Охлаждающие жидкости на водной основе и проволочные пилы с фиксированным абразивным зерном могут помочь использовать кремниевые стружки как анодно-активный материал с высокой емкостью по сниженной цене.
Наноуглеродные материалы были применены к кремниевым электродам для улучшения электропроводности и способности к циклизации. Множество стратегий уже были продемонстрированы для работы с большими изменениями объема кремниевых электродов, но они часто связаны с высокими затратами. Однако кремниевые электроды не объединяют все требования для высокой производительности, такие как снижение стоимости, экологичность материалов и процессов, а также циклическая экономика.
"В этом исследовании Si/графитовый листовой композит из стружки Si и расширенного графита использует сниженные затраты и тепловой бюджет. Нанопорошок Si диспергируется и обворачивается между GS, изготовленными из вспученного графита", — объясняет первый автор Jaeyoung Choi. "Мостики GS образуются через трещины и подавляют растрескивание и отслаивание Si. Агломерированные GS обворачивают композиты Si/GS и работают как стабильные каркасные структуры, которые защищают пути электролита и обеспечивают буферные пространства для изменения объема Si."
Композитная структура Si/GS и ограничение делитации улучшают цикличность до 901 цикла при 1200 мА·ч/г. Площадь делитационной способности и плотность тока электродов Si/GS линейно растут до 4 мА·ч/см² и 5 мА/см² соответственно при массовой нагрузке в течение более чем 75 циклов, в то время как толстые электроды с C-покрытием Si, изготовленные из C₂H₄, не являются конкурентоспособными.
"Кремниевые анодные батареи с высокой емкостью и высокой плотностью тока имеют потенциал для использования в электрических транспортных средствах. Этот потенциал, в сочетании с увеличением образования кремниевых стружек как промышленного отхода, позволит нашей работе способствовать снижению выбросов парниковых газов и достижению ЦСР", — говорит автор-корреспондент Такетоши Мацуомото.