Более десяти лет ученые пытались улучшить батареи на основе лития, заменив графит в одном из выводов кремнием, который может хранить в 10 раз больше заряда. Но всего после нескольких циклов зарядки / разряда кремниевая структура трескается и крошится, делая батарею бесполезной.

Теперь команда, возглавляемая ученым-материаловедом Йи Цуй из Стэнфорда и SLAC, нашла решение: продуманно спроектированная наноструктура с двойными стенками, которая служит более 6000 циклов, что намного больше, чем требуется для электромобилей или мобильной электроники.

"Это очень захватывающая разработка для достижения нашей цели создания батарей меньшего размера, легче и долговечнее, чем доступные сегодня", - сказал Цуй. Результаты были опубликованы 25 марта в Nature Nanotechnology.

Литий-ионные батареи широко используются для питания устройств от электромобилей до портативной электроники, потому что они могут хранить относительно большое количество энергии в относительно легком корпусе.

Перспективность - и опасность - использования кремния в качестве анода в этих батареях связана со способом, которым ионы лития связываются с анодом во время цикла зарядки. До четырех ионов лития связываются с каждым из атомов в кремниевом аноде - по сравнению с одним на каждые шесть атомов углерода в современном графитовом аноде, - что позволяет ему накапливать гораздо больше заряда.

Однако она также увеличивает анод в четыре раза по сравнению с первоначальным объемом. Более того, часть электролита вступает в реакцию с кремнием, покрывая его и препятствуя дальнейшей зарядке. Когда литий вытекает из анода во время разряда, анод сжимается до своего первоначального размера, а покрытие трескается, обнажая свежий кремний в электролите.

Всего за несколько циклов напряжение расширения и сжатия в сочетании с воздействием электролита разрушает анод в процессе, называемом "декрепитацией".

За последние пять лет группа Cui постепенно улучшала долговечность кремниевых анодов, изготавливая их из нанопроволок, а затем из полых кремниевых наночастиц. Его последняя разработка состоит из двухстенной кремниевой нанотрубки, покрытой тонким слоем оксида кремния, очень прочного керамического материала.

Этот прочный внешний слой удерживает внешнюю стенку нанотрубки от расширения, поэтому она остается неповрежденной. Вместо этого кремний безвредно набухает внутри полости, которая к тому же слишком мала для проникновения молекул электролита. После первого цикла зарядки он работает более 6000 циклов с сохранением 85 процентов емкости.

Цуй сказал, что будущие исследования направлены на упрощение процесса изготовления кремниевых нанотрубок с двойными стенками. Другие члены его группы разрабатывают новые высокоэффективные катоды, которые в сочетании с новым анодом образуют батарею, в пять раз превосходящую по производительности современные литий-ионные технологии.

В 2008 году Цуй основал компанию Amprius, которая лицензировала права на патенты Стэнфорда на его технологию анодирования из кремниевых нанопроволок. Ближайшая цель - создать аккумулятор, плотность энергии которого вдвое превышает плотность современных литий-ионных аккумуляторов.