В настоящее время аноды для традиционных литий-ионных аккумуляторов делают из графита, при этом емкость не превышает 400 мАч/г. Если заменить графит кремнием, емкость батареи теоретически увеличится на порядок. Но практически кремний, поглощая ионы лития, «разбухает», в нем возникает повышенное напряжение, и анод разрушается.
Специалисты Университета Райса (США) придумали использовать пористый кремний, внутри которого остается достаточно места для расширения. Это открытие позволило существенно увеличить энергоемкость батареи.
Но оказалось, что максимальные значения емкости перенапрягают материал и батарея быстро выходит из строя. Тогда американские ученые опытным путем рассчитали оптимальную удельную емкость для батареи с кремниевым катодом — это 1000 мАч/г. Принудительно ограничив таким образом емкость экспериментальных аккумуляторов, ученые добились их стабильной работы даже после нескольких сотен циклов перезарядки.
Одновременно с кремниевыми анодами в тестовых прототипах были использованы высоковольтные катоды из оксида никеля-марганца-кобальта (NMC), на поверхность которых было нанесено тончайшее (всего 3 нанометра) алюминиевое покрытие — для защиты от воздействия фтористоводородной кислоты, которая часто образуется в жидком электролите при попадании в него влаги.
Но эксперименты показали, что помимо выполнения защитной функции алюминий еще и ускоряет зарядку батареи. Предположительно это происходит так: при быстром проходе ионов лития через слой алюминия значительное их количество задерживается в нем, а когда происходит перенасыщение, алюминиевая пленка превращается в катализатор и процесс перемещения ионов между электродами ускоряется.
Учеными описано много способов присоединения лития кремнием, но о подобном свойстве алюминия объявлено впервые. «Такой механизм захвата лития эффективно защищает катод, помогая поддерживать стабильную емкость и плотность энергии для ячеек в целом», — сообщают исследователи.