Wydajna krzemowa anoda dzięki grafenowym klatkom

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda oraz SLAC National Accelerator Laboratory opracowali technologię, która umożliwi stworzenie efektywnej krzemowej anody. Taka anoda może potencjalnie przechowywać 10-krotnie więcej energii niż współczesne anody. Problem jednak w tym, że podczas ładowania akumulatorów cząstki krzemu powiększają się, pękają i rozpadają. Ponadto wchodzą w reakcje z elektrolitem, co powoduje tworzenie się na nich powłoki, która negatywnie wpływa na ich wydajność.

Uczeni ze Stanforda i SLAC opisali prosty, trzystopniowy proces, pozwalający na stworzenie mikroskopowych grafenowych klatek, w których umieszczane są cząstki krzemu. Klatki są na tyle duże, że pozwalają krzemowi na zwiększanie objętości i na tyle elastyczne, że popękane kawałki krzemu przylegają do siebie, zostaje więc zachowany przepływ ładunków. Ponadto blokują reakcję z elektrolitem, nie dopuszczając do formowania się niekorzystnej powłoki.

Profesor Yi Cui i jego zespół mówi, że podobną technikę można zastosować do innych materiałów wykorzystywanych w elektrodach i stworzyć lekkie akumulatory o dużej pojemności.

Początkowo Cui i jego współpracownicy tworzyli anody z krzemowych nanokabli i nanocząstek, które są na tyle małe, że się nie rozpadają. Później zaczęli eksperymentować z różnymi sposobami zamykania krzemowych nanocząstek w strukturach ochronnych. W końcu wykorzystali grafenowe klatki. Nowa metoda pozwala na użycie znacznie większych cząstek krzemu. Takich o średnicy 1-3 mikrometów. Są one tanie i łatwo dostępne. Cząstki, których użyliśmy, są bardzo podobne do odpadów przemysłu półprzewodnikowego. Tej wielkości cząstki nigdy nie sprawowały się dobrze w anodach. Jesteśmy więc niezwykle podekscytowani, że znaleźliśmy praktyczne rozwiązanie problemu - mówi Cui.

Grafenowe klatki, by spełnić swoją rolę, muszą mieć wielkość dopasowaną do każdej z nanocząstek. Naukowcy najpierw pokryli nanocząstki niklem. Grubość jego warstwy łatwo jest dobrać. Następnie na jego powierzchni hodowali grafen. Nie było to trudnym zadaniem, gdyż nikiel jest katalizatorem wzrostu grafenu. W końcu pozbyli się niklu za pomocą kwasu, a dzięki temu wewnątrz grafenowej klatki pozostała odpowiednia ilość miejsca, by umożliwić rozszerzanie się cząstek krzemu. Wcześniej próbowano różnych powłok, jednak wszystkie one zmniejszały efektywność anody. Grafenowe klatki to pierwsze powłoki, które nie zmniejszają wydajności, a cały proces ich produkcji przebiega w stosunkowo niskiej temperaturze - mówi jeden z naukowców, Kai Yan.

grafen krzem anoda akumulator bateria