Увеличение емкости литий-ионных аккумуляторов – одна из текущих задач современного нанотехнолога. В последнее время была предложена
масса материалов и структур для изготовления анодов. Однако пока аноды изготавливаются из графита – дешевого и удобного в использовании материала.
В качестве альтернативных материалов часто рассматривается и олово. Теоретическая емкость олова составляет 992 мАч/г при образовании Li
4.4Sn, что значительно превосходит емкость графита (372 мАч/г, LiC
6). Однако сильное изменение объема при внедрении лития приводит к разрушению оловянных анодов и, следовательно, снижению емкости и выходу батареи из строя.
Китайские исследователи придумали интересный способ, позволяющий обойти эту проблему. Они предложили в качестве анодного материала использовать полые углеродные сферы, на внутренней стенке которых расположены наночастицы олова. Схема синтеза и работы таких сфер приведена на рисунке 1.
Сначала при помощи шаблона из шариков SiO
2 изготавливаются полые сферы из диоксида олова. Потом они покрываются слоем углерода и выдерживаются в атмосфере N
2 при 700 °С. При этом диоксид олова восстанавливается углеродом, и внутри оболочки формируются наночастицы олова (рис. 2).
Диаметр сфер составляет около 500 нм, толщина стенки – не более 20 нм. Диаметр наночастиц олова не превышает 100 нм. Наночастицы плотно прилегают к внутренней поверхности сферы, и предполагается, что они будут иметь возможность свободно расширяться внутри углеродной оболочки при внедрении ионов лития.
Емкость анода оказалась на первых циклах и правда существенно больше, чем у графита. Однако после 50 циклов она снизилась до постоянного значения 550 мАч/г, т.е. в итоге было достигнуто улучшение в полтора раза. Начальное падение емкости объясняется частичным разрушением наночастиц олова.
Авторы работы уверяют, что метод очень прост и может быть легко масштабирован. Диаметр углеродных оболочек задается размером исходных сфер из SiO
2 и может быть изменен. Также можно варьировать толщину оболочек и количество олова внутри них. Таким образом, структура может быть оптимизирована для дальнейшего улучшения характеристик.
Работа
«Tin-Nanoparticles Encapsulated in Elastic Hollow Carbon Spheres for High-Performance Anode Material in Lithium-Ion Batteries» была опубликована в журнале
Advanced Materials.
