Chytrá elektroda baterie kombinuje křemík a uhlík

Již řadu let se vědci snaží vylepšit stávající lithiové baterie tím, že by anodu namísto z uhlíku vyrobili z křemíku. Překážky stojící v cestě nové technologii se dají zvládnout.

Chytrá elektroda baterie kombinuje křemík a uhlík


Křemík teoreticky umožňuje asi 10krát zvýšit kapacitu baterie; problém však zatím spočíval v tom, že křemíkové elektrody bývají mechanicky neodolné a po několika nabíjecích cyklech se rozpadnou.
Tým, v jehož čele stál Yi Cui ze Stanfordovy univerzity, nyní přišel s novým nadějným postupem. Inovovaná křemíková nanostruktura by mohla vydržet až 6 000 nabíjecích cyklů, což je zcela postačující pro autobaterie i napájení mobilní elektroniky.
K jednomu atomu křemíku se mohou navázat 4 ionty lithia, naopak v případě uhlíku se 1 iont lithia váže k 6 atomům uhlíku. (Proč pak křemík nabízí asi 10krát a ne 24krát větší kapacitu? To protože atom křemíku je oproti uhlíku těžší, leží ve stejném sloupci periodické tabulky pod ním.) Křemík má ovšem tendenci reagovat s dalšími složkami elektrolytu a na jeho povrchu se přitom tvoří nerozpustná vrstva, což zhoršuje vlastnosti při dobíjení článku. V důsledku reakcí anoda bude měnit svoji velikost sem a tam a naruší se její mechanickou pevnost (tento proces se označuje jako dekrepitace). Po několika cyklech se elektroda rozpadne.

Yi Cui a jeho kolegové si s křemíkovými nanodrátky hrají už dlouho. Nyní přišli s dvouplášťovými křemíkovými elektrodami, které jsou potaženy tenoučkou ochranou vrstvou oxidu křemičitého. Ten chrání elektrodu zvenku a protože je to pevný keramický materiál, brání roztahování tímto směrem. Naopak ionty lithia jsou dostatečně malé, aby stěnou z SiO2 pronikly.
Eventuální vedlejší produkty reakcí pak způsobují bobtnání pouze dovnitř do dutého válce. Životnost je pak dána jeho zaplněním (nicméně čím větší průměr vnitřní dutiny, tím lépe do něj mohou pronikat i molekuly elektrolytu, takže další zlepšení zde úplně triviální možná nebude).

Jak příslušnou křemíkovou strukturu vyrobit? Právě zde se uplatní i uhlík zmíněný v titulku. Začneme s polymerními nanovlákny, které zahříváme bez přístupu vzduchu, až se látka rozpadne a zbudou pouze uhlíková vlákna. Tato uhlíková kostra se pak natře křemíkem, který bude představovat vnější stranu trubičky. Pak následuje další zahřívání, tentokrát se vzduchem. Uhlík uvnitř zreaguje, čímž vznikne dutá trubička. Na vnější straně povrchu se pak křemík zoxiduje na oxid křemičitý, budoucí ochrannou vrstvu.
Je to poněkud komplikovaný postup, který je obtížné řídit, především co se týče tloušťky vznikající vrstvy SiO2. Zbývá vyvinout jednodušší technologii výroby a podobně zvýšit kapacitu také u katody.

Zdroj: Phys.org

Úvodní foto: © virtua73 - Fotolia.com










Komentáře