Высокоэффективные литий-ионные батареи следующего поколения могут открыть дорогу улучшенным электромобилям и имеют огромное множество других полезных применений.
Чтобы увеличить ёмкость современных батарей, многие учёные хотят заменить в них углеродный анод на кремниевый, который имеет возможность запасать в десять раз больше энергии.
Однако попытки создать кремниевый анод столкнулись с серьёзными трудностями. Ёмкость батареи быстро падает с каждым новым циклом заряда, поскольку кремний разбухает при зарядке и сжимается при разряде, и в результате покрывается трещинами. Многие исследователи ищут решение этой проблемы в наноструктурах, которые способны справляться с расширением материала, однако команда корейских учёных нашла, пожалуй, самый неожиданный источник высокотехнологичных электронных компонентов – обычный рис.
Жмых рисового зерна, который выбрасывается как отходы после сбора урожая, содержит около 20 процентов кремнезёма. Этот кремнезём формирует слой, который защищает растение от насекомых и бактерий, но при этом достаточно порист, чтобы через него могла проходить вода и воздух. Профессор Дае Су Янг из Кореи и его команда ставят перед собой цель изучить, может ли эта природная наноструктура решить проблему сокращения ёмкости, которая является бичом кремниевых анодов.
После обработки кислотой и высокой температурой, которые удаляют органические соединения и металлы, в рисовом жмыхе остаётся 99,9 процента кремнезёма. Природная же наноструктура кремнезёма переживают такую обработку без проблем.
Но это самая простая часть задачи. Далее начинается более сложный этап – пористую структуру кремнезёма необходимо превратить в кремний. Сам по себе кремнезём представляет собой кремний, соединённый с двумя атомами кислорода, которые необходимо удалить, чтобы использовать материал в качестве анода. Исследователи испытали на рисе технику удаления кислорода с применением магния и очень высоких температур. Как оказалось, этот процесс несколько изменяет имеющуюся наноструктуру, создавая кремниевые стенки, но сохраняя поры.
Прежде чем испытать новую кремниевую структуру в качестве анода, учёные покрыли её несколькими слоями углерода, чтобы увеличить её проводимость. Испытания показали, что этот новый материал сохраняет свою полную ёмкость после 200 циклов зарядки и демонстрирует лучшую производительность, чем покрытые углеродом кремниевые наночастицы. Объяснением этому служит то, что пористая структура, по-видимому, даёт кремнию пространство, в котором он может сжиматься и расширяться без деформации.
Авторы исследования предполагают, что рисовый жмых может перерабатываться в будущем для создания таких анодов в промышленном масштабе. Можно ли увеличить масштабы процесса рентабельными методами, пока остаётся открытым вопросом, но потенциал у этой неожиданной технологии чрезвычайно велик.
