22:50
15 сентября, Массачусетс (США). При многократном повторении циклов зарядки-разрядки в ионно-литиевых аккумуляторах неизбежно разрушаются электроды. Каждый цикл они значительно (до двух крат) меняют свой объём, отчего в структуре возникают механические напряжения и трещины. Часть поверхностного слоя отслаивается, содержащиеся в ней ионы лития оказываются выключены из процесса накопления энергии, ёмкость аккумулятора снижается.
Группа учёных-исследователей из Массачусетского технологического института (США) и Университета Цинхуа (Китай) предложила оригинальный способ решения проблемы – создать отрицательный электрод из яйцеподобных наночастиц, включающих твёрдую оболочку из диоксида титана и алюминиевый «желток» внутри. Благодаря зазору последний способен свободно расширяться и сжиматься, не деформируя «скорлупу».
Результаты предварительных исследований показали, что резко увеличиваются не только число циклов, но и ёмкость, а также пиковая мощность аккумуляторов. «Скорлупа» заодно предохраняет частицы алюминия от окисления жидким электролитом.
Учёные пришли к своему открытию случайно. Они работали с алюминиевыми наночастицами диаметром 50 нм, на которых естественным образом образовался слой оксида алюминия – Al2O3. Чтобы избавиться от диэлектрика, оксид алюминия решили заменить на оксид титана, который (в случае тонких плёнок) хорошо проводит электроны и ионы лития. Для этого алюминиевый порошок поместили в серную кислоту, насыщенную оксид-сульфатом титана. При растворении окиси алюминия в кислоте выделялась вода, которая взаимодействовала с оксидсульфатом титана, образуя твёрдую оболочку из гидроксида титана с толщиной стенок 3–4 нм. Если после этого частицы оставались в кислоте несколько часов, алюминиевые ядра уменьшались в размере до 30 нм. Этот факт подтверждает, что оболочка пропускает ионы небольших размеров. После этого проводится ещё одна операция для замены гидроксида титана на его диоксид.
Как отмечают исследователи, после 500 циклов заряда-разряда оболочка становится немного толще, но её содержимое сохраняет свои структуру и свойства. По результатам измерений, предложенный электрод обеспечивает удельную ёмкость 1,2 А•ч на грамм – втрое большую, чем графитовый, причём технологический процесс производства прост и позволяет легко организовать выпуск электродов в больших масштабах.
В исследовательскую группу вошли Са Ли, Ю Чэн Чжао, и Чанг Ан Ванг из университета Синьхуа в Пекине, а также Юджин Ню, Кангпио Таг и Чао Ван из Массачусетского технологического института. Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда и Национального фонда естественных наук Китая.
