В последнее время литий-ионные аноды для аккумуляторов с добавкой кремния привлекают особое внимание ученых, и причиной тому является существенно большая емкость устройств на их основе, чем в случае обычного графита. Для того, чтобы это претворить в жизнь, необходимо решить проблему синтеза анодных материалов, которые будут мало изменять объем в процессе работы батареи и будут отличаться высокой стабильностью. Группа американских ученых сообщила об успешном синтезе таких структур, которые могут быть получены и в промышленных масштабах. Описанные структуры представляют собой углеродный каркас, в порах которого расположены наночастицы кремния (Рис.1). Изменение объема за счет внедрения ионов лития компенсируется пористостью структуры. Таким образом решается важная проблема, связанная с функционированием батарей – изменение объема в готовом устройстве может привести к выходe из строя всей батареи. Обратимая емкость анодных материалов на основе упомянутых структур составляет 1,950 мА ч г-1, что более чем в 5 раз выше, чем у применяемых на сегодняшний день.
Синтез отличается простотой и дешевизной, а дальнейшее его развитие поможет создать множество новых электродных материалов (Рис.1). Основой для создания кремнесодержащих анодов послужила сажа, "очищенная" в процессе отжига при 2000оС. На полученные разветвленные структуры размером порядка микрометра методом CVD был осажден кремний (использовано разложение силана SiH4 при 500оС в течении 1 часа). Условия были подобраны так, чтобы осаждающийся кремний обеспечивал формирование наносфер и не мигрировал по поверхности углерода. Полученные композиты были сшиты между собой в процессе CVD-осаждения углерода при разложении С3Н6 при 700оС в течении получаса. В результате были синтезированы микросферы с размером 15-35 микрометров, на поверхности которого видны наносферы кремния (Рис.2). Измерения удельной площади поверхности показали, что этот параметр уменьшается с 33м2г-1 до 24м2г-1.
Для оценки электохимических свойств был использован плоский круглый аккумулятор (2016) с литиевым вспомогательным электродом. Удельная емкость деинтеркаляции образца с содержанием кремния 50 мас.% достигло 1,950 мА ч г-1 для C/20. Удельная емкость оказалась в 5 раз выше, чем для графита, в 6 раз больше, чем для высокоэффективных графитовых анодов и в 18 раз больше, чем для исходной сажи. (Рис.3). Если же говорить о весовой емкости отделенных наночастиц кремния, то она была оценена на уровне 3,670 мАч г-1. Объемная емкость для C/20 составила 1,270 мАч см-3, в то время как у графиовых анодов - 0,620 мАч см-3, однако образование готовых электродов и оптимизация пористой структуры позволит повысить эту величину.
Оригинальная статья "High-performance lithium-ion anodes using a hierarchical bottom-up approach"опубликована 14 марта 2010 года в Nature Materials
