Leden van het D.V. Skobeltsyn Instituut voor Kernfysica en collega's van de Faculteit der Scheikunde van de Lomonosov Moskouse Staatsuniversiteit hebben een nieuw materiaal op basis van silicium en germanium ontwikkeld dat de specifieke eigenschappen van lithium-ionbatterijen aanzienlijk zou kunnen verbeteren. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in de Journal of Materials Chemistry A .

Lithium-ionbatterijen zijn het meest populaire type energieopslagsysteem voor moderne elektronische apparaten. Ze zijn samengesteld uit twee elektroden - de negatieve (anode) en positieve (kathode), die in een hermetische behuizing worden geplaatst. De tussenruimte wordt opgevuld met een poreuze separator, ondergedompeld in een lithiumion-geleidende elektrolytoplossing. De separator voorkomt kortsluiting tussen de bipolaire elektroden en zorgt voor een elektrolytvolume, nodig voor ionentransport. Elektrische stroom in een extern circuit wordt gegenereerd wanneer lithiumionen extraheren uit het anodemateriaal en door de elektrolyt bewegen en verder in het kathodemateriaal worden ingebracht. Echter, de specifieke capaciteit van een lithium-ionbatterij wordt grotendeels bepaald door het aantal lithiumionen dat kan worden geaccepteerd en overgedragen door actieve materialen van de anode en kathode.

De wetenschappers hebben een nieuw anodemateriaal ontwikkeld en bestudeerd waarmee de energie-efficiëntie van Li-ion-batterijen aanzienlijk kan worden verhoogd. Het materiaal is geschikt voor gebruik in zowel bulk- als dunne-film Li-ion-batterijen.

Natuurkundige Victor Krivchenko, een van de auteurs, zegt, "Momenteel wordt veel aandacht besteed aan de uitwerking van anodematerialen op basis van silicium en germanium. Bij interactie met lithiumionen, deze elementen kunnen legeringen genereren waarvan de specifieke capaciteit theoretisch groter is dan die van grafiet, het traditionele anodemateriaal dat wordt gebruikt in moderne lithium-ionbatterijen."

Van alle bekende anodematerialen, silicium heeft de hoogste gravimetrische capaciteit van lithium, theoretisch tot 4200 mAh/g. Dit maakt het het meest veelbelovende materiaal voor batterijen met een verbeterde energiedichtheid. Germanium is duurder en heeft minder gravimetrische capaciteit dan silicium. Echter, het is beter in het geleiden van stroom. Bovendien, de diffusie van lithiumionen in germanium is enkele orden van grootte sneller dan in silicium. Deze eigenaardigheden van germanium zorgen voor een aanzienlijke toename van de vermogensdichtheid van de batterij zonder significante verandering van het volume.

Het grootste probleem van de elektrodematerialen is dat hun structuur een aanzienlijke degradatie ondergaat in het cyclische proces van laden en ontladen, waardoor de batterij defect raakt. De wetenschappers stellen voor om dit probleem op te lossen met nanogestructureerde materialen en de ontwikkeling van composietmaterialen waarin koolstofnanostructuren kunnen worden toegepast als stabiliserende matrices. Overgang van traditionele tweedimensionale naar driedimensionale verdeling van een actief materiaal op het elektrodeoppervlak zou als een alternatieve oplossing kunnen worden beschouwd.

Victor Krivchenko zegt, "De belangrijkste nieuwigheid van het project is het idee om een ​​matrix te gebruiken die wordt gevormd door plasma-gegroeide koolstofstructuren met een zeer complexe oppervlaktearchitectuur voor de implementatie van op silicium en germanium gebaseerde anodematerialen met de gewenste structurele en functionele eigenschappen. Dergelijke structuren zijn samengesteld uit dichte array van grafeen-achtige nanowalls, verticaal georiënteerd op het oppervlak van een metalen substraat."

De wetenschappers hebben de magnetron sputtertechniek toegepast, zorgde voor een homogene coating van nanowandoppervlakken met 10 tot 50 nm dikke silicium- of germaniumlagen. Tegelijkertijd, de uiteindelijke structuur van de composietanode zou kunnen zijn samengesteld uit één of afwisselende lagen actief materiaal. Er werd aangetoond dat de verkregen driedimensionale architectuur een hoge specifieke capaciteit biedt en de stabiliteit van specifieke kenmerken van op silicium en germanium gebaseerde anoden verhoogt.

De wetenschapper zegt, "De onderzoeksresultaten kunnen technologisch de verdere uitwerking van veelbelovende elektrodematerialen voor energieopslagsystemen van de volgende generatie ondersteunen. In het kader van het project, de wetenschappers hebben resultaten van wereldklasse bereikt op het gebied van nieuwe toepassingen van nanogestructureerde materialen, samen met het uitwerken en bestuderen van hun elektrochemische en fysisch-chemische eigenschappen. De studies hebben nieuwe experimentele gegevens opgeleverd met betrekking tot het gedrag van nanostructuren in elektrochemische systemen."