Новые литий-ионные батареи «дают зеленый свет» усовершенствованным электромобилям, также у них есть много иных полезных применений.
Все звучит достаточно просто. Для увеличения ёмкости современных батарей, ученым нужно заменить углеродный анод кремниевым, с помощью которого можно запасти в 10 раз больше энергии.
Но все ли так просто, как кажется? Нет. Возникли серьезные проблемы при попытках создать кремниевый анод. Все дело в том, что ёмкость батареи стремительно падает с последующими циклами заряда. Это случается потому, что кремний разбухает при зарядке и сжимается при разрядке, из-за этого возникают трещины.
Ученые пытаются найти ответ в наноструктурах, которые могут справиться с расширением материала, но корейские ученые нашли потрясающее решение. Кто бы мог подумать, но обыкновенный рис – источник высокотехнологичных электронных компонентов.
Выжимка рисового зерна, которую выкидывают как отходы после сбора урожая, содержит около 20% кремнезема. Он образовывает слой защищающий растение от насекомых и бактерий, но, в то же время, достаточно порист, потому через него проходит вода и воздух.
Задачи и цели
Корейский профессор Дае Су Янг со своей командой поставили цель изучить, можно ли с помощью природной наноструктуры решить проблему сокращения ёмкости.
Самая простая часть задачи – обработать рисовый жмых кислотой и высокой температурой. Это удаляет органические соединения и металлы, оставляя в жмыхе 99,9% кремнезема.
Более сложной частью является превращение пористой структуры кремнезема в кремний. Кремнезем – кремний соединенный с 2-мя атомами кислорода, которые, как раз и нужно удалить, для того, чтобы можно было использовать материал в качестве анода.
Такую технику испытали на рисе, но, как оказалось, с ее помощью не получается достичь требуемого результата. Такой процесс немного изменяет наноструктуру, создавая кремниевые стенки, но сохраняя поры.
Испытания и результаты
Перед тем, как испробовать новую структуру кремния в качестве анода, исследователи нанесли на нее несколько слоев углерода, чтобы повысить ее проводимость. Результаты этого эксперимента показали, что новый материал сберегает полную ёмкость после 200 циклов зарядки, более того, он показывает лучшую производительность. Объясняется это тем, что пористая структура предоставляет кремнию свободное пространство, в котором он может сжиматься и расширяться без деформации.
Предполагается, что в будущем рисовый жмых будет перерабатываться для создания таких анодов. Получится ли повысить масштабы рентабельными методами пока под вопросом, однако, потенциал у этой технологии очень велик.