Аноды для современных литиево-ионных аккумуляторов обычно изготавливают из графита, это доступный и недорогой материал. Но японские ученые сегодня предлагают заменить его на кремний, способный существенно увеличить эффективность батарей.

Руководитель проекта доктор Харо так объяснила этот выбор: «…в графитовом аноде каждый ион лития удерживают шесть атомов углерода… А вот атом кремния один держит четыре иона. Следовательно, кремниевый анод сохранит в десять раз больше заряда, чем графитовый такого же размера».

Но у кремния есть важный недостаток — его хрупкость. Перемещаясь, ионы лития увеличивают объем кремниевого анода в четыре раза. У него не хватает жесткости выдержать такие колебания, и он быстро разрушается.

Японские ученые решили эту проблему, экспериментируя со структурой, напоминающей слоеный пирог, где в качестве коржей выступают металлические наночастицы, а начинку между ними представляют слои кремния. Увеличивая толщину «начинки», ученые обнаружили, что сначала материал становился прочнее, но потом вдруг прочность резко уменьшалась. Оказалось, кремний осаждается на металл в виде перевернутых конусов. Вырастая, конусы становятся все более неустойчивыми, в результате материал теряет жесткость. Если же продолжать наращивать слой, конусы постепенно расширяются и в конце концов соприкасаются между собой, образуя прочную арочную структуру. Ученые подобрали оптимальную толщину слоя, при которой кремниевые дуги придают структуре анода необходимое усиление, чтобы он выдерживал достаточное количество циклов заряд/разряд.

Таким образом кремниевый анод обеспечивает аккумулятору не только повышенную емкость заряда, но и долговечность.