Характеристики современных устройств преобразования и хранения энергии, таких как солнечные батареи, суперконденсаторы и литий-ионные (Li) батареи, тесно связаны с наноструктурой электродов.
Исследователи из США решили сравнить два анодных материала - двумерные (нанонити) и одномерные (наносетки) структуры из TiSi2, облепленные наночастицами кремния (рис.1a,c). Кремний вообще является перспективным и модным анодным материалом (1, 2, 3, 4...). Использование наночастиц кремния обусловлено тем, что пространство между ними позволяет скомпенсировать увеличение объема при зарядке (внедрении ионов лития). В идеальных условиях работы TiSi2 основа не разрушается при зарядке и разрядке, и изменение свойств материала будет определяться деградацией наночастиц кремния. На практике несколько процессов могут привести к разрушению TiSi2 нанонитей и наносетей, а, следовательно, и к разрушению всего электродного материала. Данная работа касается одного из этих механизмов деградации, а именно, механической поломки нанонитей и наносетей (рис.1b,d).
Для изучения стабильности выбранных наноструктур были собраны батарейные ячейки с созданными материалами в качестве анодов. Литиевая (Li) фольга была выбрана в качестве катода для легкого и точного измерения потенциала анода. Исследования показали, что TiSi2 нанонити и наносети реагируют с Li+ по-разному. Наносети показывают заметную интеркаляцию при 0,09 В, а нанонити не показывают существенной реакции при напряжениях выше 0,05 В. Так что следующим шагом необходимо проверить как рабочий диапазон напряжений влияет на стабильность соответствующих наноструктур. Как можно увидеть из рисунка 4, наносетевые образцы показали более высокую емкость, чем образцы из нанонитей.
Для понимания различий в стабильности структур с нанонитями и наносетями были сделаны их СЭМ-микрофотографии после 100 циклов зарядки-разрядки (рис.5). Эти снимки были сравнены со снимками на рис. 2. Процесс интеркаляции/деинтеркаляции в Si характеризуется тем, что кремний из кристаллического состояния или состояния отдельных частиц перешел в аморфное, что сопровождалось увеличением объема. Однако все еще оставались нанонити, чьи превращения кремния (Si) были менее глубокими, как те, что окружены эллипсами (рис.5a,b). Можно предположить, что эти нанонити не прошли столько же циклов, как их соседи вследствие отрыва от токового коллектора после начальных реакций. Действительно, оба конца этих нанонитей были видимыми. На рисунке 5а также можно найти достаточное количество других нанонитей с видимыми обоими концами (указаны стрелочками), указывающими на то, что они были отделены от токового коллектора, и не будут вносить вклад в общую емкость при дальнейших испытаниях. Одинаковое увеличение объема кремниевого покрытия было замечено в образцах с наносетями, а также несколько сломанных наносетей (рис. 5d,e).
Необходимо отметить, что реакция между Li+ и TiSi2-основой главным образом ограничена с помощью кремниевого (Si) покрытия. Этот факт подтверждают снимки (рис. 5с,f), на которых TiSi2 ядро остается неизменным после повторной зарядки/разрядки.
Таким образом, с использованием наногетероструктур становится возможным получить большую емкость и большую мощность в одном материале. Для проверки этого были сравнены исследуемые структуры при различных скоростях зарядки/разрядки. Следуя той же главной тенденции, структуры с нанонитями показали значительно более плохую скоростную характеристику, т.к. емкость упала быстрее при увеличении скорости зарядки.
