Encontrou uma maneira de aumentar a capacidade das baterias de íon de lítio em 10 vezes

Em todo o mundo, dezenas de grupos de pesquisa estão procurando opções para aumentar significativamente a capacidade das baterias de íon-lítio. A introdução do silício na estrutura é considerada uma direção promissora, mas sua fragilidade, fragilidade dos compostos a partir dele e outros problemas não o permitiram por muito tempo.

Mas parece que cientistas no Japão conseguiram encontrar uma solução para o problema do silício. Eles criaram um novo design de ânodo, feito de arcos de silício de tamanho nano, que fornecem a resistência e durabilidade necessárias.

Baterias de íon de lítio modernas e suas desvantagens

Portanto, para começar, apenas algumas palavras sobre como funcionam as baterias de íon de lítio. Então, como você sabe, uma bateria consiste em um par de eletrodos (cátodo e ânodo) e uma solução eletrolítica. Portanto, a principal tarefa do eletrólito é a transferência de íons de lítio entre o cátodo e o ânodo, que é feito apenas de grafite.

Portanto, durante o carregamento da bateria, os íons de lítio se movem ao longo do caminho cátodo-solução-ânodo. No processo de descarga, o movimento dos íons ocorre na direção oposta.

Este projeto provou ser bom e tem funcionado por mais de uma dúzia de anos. Mas a principal desvantagem de todo esse design depurado reside no fato de que seis átomos de carbono devem ser usados ​​de uma vez no ânodo de grafite para armazenar um íon de lítio. Por esse motivo, essas baterias têm baixa densidade de energia.

Silício e suas aplicações

No entanto, se olharmos para um material como o silício, então um de seus átomos é capaz de se ligar a quatro íons de lítio de uma vez, o que dá um aumento de quase 10 vezes na densidade de energia. Tudo parece estar bem, mas os cientistas ainda não conseguiram estabilizar o silício.

Uma vez que é propenso a expansão significativa (até 400% do volume original), contrações e quebrando durante a operação da bateria, então todos esses efeitos de deformação destruíram os ânodos de silício rápido o suficiente.

Uma equipe de pesquisa do Instituto de Pós-Graduação em Tecnologia e Tecnologia (OSIT) de Okinawa propôs sua solução para o problema de estabilização do ânodo de silício. Os engenheiros realizaram toda uma série de experimentos com camadas de silício de várias espessuras em busca de um meio-ouro, no qual as condições de alta densidade de energia e estabilidade da bateria fossem atendidas.

Os cientistas descobriram que, à medida que a camada de silício aumenta, primeiro há um aumento na rigidez e, depois de um certo ponto, há uma diminuição acentuada. Decidiu-se estudar com mais detalhes o motivo de tal transição, e isso é o que os cientistas conseguiram estabelecer.

Descobriu-se que quando o silício é depositado nas nanopartículas metálicas, minúsculas colunas na forma de cones invertidos começam a se formar, engrossando em direção ao topo.

Acontece que com a deposição de um número crescente de átomos de silício e, consequentemente, o crescimento dos pilares, eles se tornam tão largos que se tocam e, assim, formam uma estrutura arqueada de um nanômetro escala.

Essa estrutura é bastante forte e até usada por humanos na construção. E acontece que antes desses nanoarcos serem formados, a estrutura é bastante fraca, e seu crescimento ainda maior cria uma estrutura esponjosa com orifícios, o que não é tão eficaz.

E somente no momento da formação de tais arcos, é criado um equilíbrio, que possibilita uma maior capacidade de carga e é capaz de suportar um grande número de ciclos de carga / descarga.

Ainda não se sabe quando as novas baterias de íon-lítio com ânodo de silício estarão à venda, mas o fato de que essa direção é promissora pode ser reconhecido já nesta fase.

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