Современные литий-ионные батареи состоят из двух электродов и жидкого электролита, который переносит ионы лития между ними. Один из электродов, анод, изготавливается из графита. Он хорошо зарекомендовал себя в аккумуляторах различного назначения, но инженеры увидели потенциал в другом материале.

«В графитовом аноде нужны шесть атомов углерода, чтобы сохранить один ион лития, поэтому плотность энергии у них низкая», — пояснила Марта Харо, первый автор исследования.

Используя вместо графита кремний, можно значительно повысить плотность энергии, так как каждый атом кремния способен соединяться с четырьмя ионами лития, пишет New Atlas. Правда, прежние попытки создания такой батареи наталкивались на проблемы со стабильностью, поскольку кремний не обладает такой же долговечностью, как графит, и быстро ломается из-за постоянных циклов расширения и сокращения.

«Кремниевые аноды способны запасать в 10 раз больше заряда в данном объеме, чем графитовые — на целый порядок больше в показателях энергетической плотности, — сказала Харо. — Проблема в том, что когда ионы лития движутся к аноду, изменение объема оказывается таким огромным, до 400%, что электроды трескаются и ломаются».

Команда ученых из Научно-технического института Окинавы экспериментировала со слоями кремния различной толщины и обнаружила, что одна комбинация придает материалу очень полезные свойства жесткости. При тщательном изучении оказалось, что когда атомы кремния наносят на металлические наночастицы, они образуют крошечные колонны в виде перевернутых конусов. Когда они достигают определенной высоты, они касаются друг друга и образуют прочные арочные структуры.

Если вырастить эти арки правильной высоты, они придают аноду нужную структурную прочность. Испытания показали, что тогда эти наноструктуры повышают зарядную емкость батареи и позволяют выдержать больше циклов зарядки.

Помимо применения в литиевых аккумуляторах разработчики видят потенциал изобретения в других областях, например, в производстве биологических имплантов или систем хранения водорода.

Американский стартап Group14 Technologies нашел замену графитовым анодам в литий-ионных батареях —композитную смесь из кремния и углерода. Такое решение значительно снизит стоимость производства аккумуляторов и увеличит их удельную мощность в 1,5 раза.