Исследователи из Университета Райса (США) и Лувенского католического университета (Бельгия) решили проблему, не позволявшую использовать кремний в электродах литий-ионных батарей. 

Новые электроды абсорбируют вдесятеро больше лития, чем углерод, обычно применяемый в аккумуляторах такого типа.

Не секрет, что кремниевые микросхемы дороги в получении. Однако недёшевы они и в утилизации, чему виной относительная химическая стойкость и отсутствие потребности в такого рода кремнии (без дорогостоящей очистки) в микроэлектронике. Давно уже высказывались мысли о его применении в литиевых аккумуляторах, ведь кремний абсорбирует литий значительно лучше углерода. Одна беда: это жёсткий материал, и при зарядке-разрядке он расширяется и сужается столь сильно, что трескается, оттого электроды из него непрактичны.

Материаловед из Университета Райса Пуликель Аджаян, чтобы решить проблему, создал «лес» из нанонитей такого кремния (из неработающих старых микросхем). Нанонити были заключены в токопроводящий слой меди и ионопроводящий полимерный электролит, формируя анод. Эта схема позволяет им расширяться при зарядке — ведь каждую нить окружает свободное пространство, и изменения в её размерах не ведут к растрескиванию электрода. Та же ситуация при разрядке.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Science.

Кремниево-медно-полимерный композит анода может быть буквально свёрнут в рулон со своего кремниевого субстрата, чтобы мог расти следующий слой такого рода. (Фото Alexandru Vlad / Rice University.)

В итоге удалось добиться создания многочисленных композитных аккумуляторов на основе отходов от кремниевых подложек. Более того, по словам разработчиков, после исчерпания ресурса литиевой батареи кремниево-медно-полимерный анод может восстанавливаться для последующего использования.

Процесс, при помощи которого изготавливается кремниевый электрод, называется коллоидной наносферной литографией. Кремниевая полоска подвергается преднамеренной коррозии, оставляющей в ней зазоры для расширения-сжатия кремния при зарядке-разрядке. А коррозия достигается при помощи нанесения на полоску шариков из полистирола и воды. На поверхности кремниевой подложки полистироловые шарики самособираются в сеть шестиугольников. Затем наносится тончайшая золотая плёнка, а шарики полистирола удаляются. В итоге получается покрытая золотом поверхность с равномерно распределёнными дырками. «Мы можем сделать это на [кремниевой] подложке размером с пиццу в мгновенье ока», — хвалится Александру Влад, один из соавторов работы. После этого подложка обрабатывается растворителем, оставляющим на поверхности вышеупомянутый «лес» кремниевых нанонитей длиной от 50 до 70 мкм.

«Нанолес» кремниевых волокон выглядывает через дырки, сделанные при помощи коллоидной наносферной литографии. (Фото Alexandru Vlad et al.)

Ёмкость такой батареи составила 150 миллиампер-часов на грамм; она не испытывала серьёзного падения даже после 50 циклов зарядки-разрядки. К сожалению, авторы ничего не сказали о вольтаже батарей, но если он близок к показателям привычных литиевых аккумуляторов, то речь идёт о примерно 3,6 В и, следовательно, ёмкости в 540 Вт•ч/кг, что в несколько раз выше, чем у современных литиевых батарей, находящихся в свободной продаже.