Кремниевые аккумуляторы сделают электромобиль доступнее. Аккумуляторы кремниевые


Кремниевые солнечные батареи из аморфного кремния

Кремниевые солнечные батареи, основу которых составляет аморфный кремний, являются результатом технологического совершенствования методик изготовления солнечных элементов. Это, преимущественно, тонкопленочные модели. Если сравнивать их с «классическими» на основе кристаллов, технологии их изготовления имеют существенные отличия. Аморфный кремний, вещество, которому можно придать любую желаемую форму — парообразующий гидрид. Его горячие пары остаются на подложке, а образования обычных кристаллов не происходит. Это обеспечивает резкое снижение производственных затрат.

Аморфный и кристаллический кремний: главное отличие

Аморфные солнечные панели обладают существенным отличием от моно- и поликристаллических. Оно заключается в том, что прямой поток света, исходящий от Солнца, таким батареям не требуется. Они прекрасно генерируют рассеянный свет, исходящий от светила, которое закрыто облаками.

Благодаря гибкости, на них легко наносятся современные полупроводниковые элементы. Они могут эффективно работать в условиях сильной загазованности воздушной среды. Или на производстве, где воздух, по тем или иным причинам, перенасыщен аэрозольными веществами.

Гибкая панель

Из истории создания

Это может показаться удивительным, но сейчас уже начинают активно совершенствовать третье поколение таких панелей.

Коротко обо всех трех можно рассказать таким образом:

  • Поколение №1 — солнечная батарея с одним переходом. Минус — срок работы не более десяти лет и низкая производительность с 5%-м КПД.
  • Поколение №2 — также элементы с одним переходом, но срок работы стал вдвое больше — 20 лет, а КПД увеличился до 8.
  • Поколение №3 — высокоэффективные тонкопленочные батареи с КПД до 12%. Могут работать еще более длительное время. Считается, что они имеют в перспективе очень большое будущее.

Кстати, благодаря широким возможностям технологии, кремниевый слой напыляется и на жесткое, и на гибкое основание. Именно поэтому в тонкопленочных моделях напыление применяется чаще всего. Хотя стоят они, конечно, очень дорого.

Аморфные солнечные батареи обладают удивительной способностью к поглощению неяркого, рассеянного светового потока. Они активно применяются в тех регионах, где преобладает прохладная и пасмурная погода. При высоких температурах они не теряют уровня своей производительности. Хотя панели из арсенида галлия по-прежнему их в этом превосходят.

На крыше

Подводя итоги: достоинства аморфных аккумуляторов и их дальнейшие перспективы

Итак, кремниевые солнечные батареи с уникальным свойством аморфности имеют следующие перспективные преимущества:

  1. Меньше нагреваются при высокой температуре. Следовательно, не теряют производительности, перерабатывая большее количество электроэнергии. Эффективность кристаллических модулей при сильном нагреве, как известно, резко снижается, со значительной потерей мощности.
  2. Больше вырабатывают энергии при слабом уровне света. Кристаллические солнечные батареи в условиях рассеянного светового потока уже могут перестать работать вообще. Аморфные модули в условиях дождя и облачности накапливают на 10-20% больше энергии.
  3. Они почти незаметны на зданиях. Размер их минимален, а внешний вид, похожий на пленку или тонкое стекло, легко можно скрыть или замаскировать.
  4. У них минимум брака, так как производство гораздо более простое. Кристаллические же модули свариваются между собой методом пайки. И это — до сих пор их слабое место, которое исправить невозможно.
  5. Они лучше переносят временное или частичное затенение и теряют при этом меньше мощности.

На фоне всех неоспоримых преимуществ недостаток у таких панелеи всего один, но пока еще весьма существенный. КПД у них, в любом случае, меньше, чем у кристаллов — как минимум, в 2 раза. Это является основным препятствием для их широкого применения.

Монтаж

Сфера применения

Несмотря на меньший показатель КПД, по сравнению с кристаллическими солнечными аккумуляторами, аморфные модели уже постепенно находят достойную нишу применения.

Как уже было отмечено, их рекомендуется использовать там, где часто наблюдается облачная и пасмурная погода. Они будут неплохо работать в условиях рассеянного или отраженного света. Также годятся они и для жаркого климата, так как лучше переносят нагревание и теряют при этом меньше мощности.

На катере

При необходимости интеграции аккумуляторов в здание такой вариант становится просто незаменимым, так как при первом взгляде от тонированных стекол их не отличить. Они дают широкий простор дизайнерским и архитектурным решениям, если речь идет о современных зданиях, в конструкцию которых они прекрасно впишутся. Это отличная отделка фасадов, которые при желании могут быть частично прозрачными.

Уровень деградации у аморфных модулей аналогичен кристаллическим. Считается, что за десятилетний период применения показатель их мощности снизится только на 10% (по одному проценту в год), со сроком работы до 25 лет. Конечно, они не могут быть использованы в качестве постоянных источников энергии. Но роль альтернативных ее накопителей выполняют очень даже неплохо.

batteryk.com

Новый литий-ионный аккумулятор создан на 100% из кремния

Экология потребления.Технологии: Компания LeydenJar на разработала новую версию литий-ионной аккумуляторной батареи, в которая использует 100% кремния вместо графита.

Голландский стартап под названием LeydenJar сделал шаг в ту область, в которую до него еще никто не решался заглядывать. Компания получила средства от центра энергетических исследований Нидерландов на разработку новой версии литий-ионной аккумуляторной батареи, в которая использует 100% кремния вместо графита.

На первый взгляд, это рискованно, потому что кремний проходит через разрушительные циклы сжатия и расширения при использовании в аккумуляторных батареях. Тем не менее, если новая батарею изготовить в масштабе и с хорошей продолжительностью жизни, то эффектом будет увеличение мощности на 50% по сравнению с обычным аккумулятором на основе графита.

 

Помощь нанотехнологий 

При таком применении кремния, как утверждают специалисты LeydenJar, в 10 раз увеличивается емкость анода в новой батарее. 

Им удалось создать анод используя только плазменный аппарат. Кремний осаждается на медную подложку в наномерные колонны, достигая высоты около 10 микрон (такая толщина слоя требуется для коммерческого применения, по тех.заданию LeydenJar).

Полученный образец частично заполненный и частично с пустотами обеспечивает достаточно места для безопасного расширения кремния во время зарядки батареи.

В настоящее время группа работает над проектом завода, который будет в состоянии произвести в большом количестве новый анод для литий-ионных аккумуляторных батарей.  Ввод в эксплуатацию завода ожидается до конца 2018 году. опубликовано econet.ru 

 

по материалам cleantechnica.com

econet.ru

Николай Дятлов: Аккумуляторы: на пути к вечности

Прыжок в будущее

На рынке уже появляются инновационные дисплеи и микросхемы, которые предвещают новое поколение мобильных устройств. Однако до сих пор даже в самых современных гаджетах используются литиевые батареи - технология, впервые появившиеся более 20 лет назад. Из-за больших и ярких дисплеев и постоянной беспроводной связи, устройства даже с самыми емкими аккумуляторами держат заряд в лучшем случае несколько дней. Увеличение же ёмкости приводит к значительному увеличению веса и объема. К тому же постепенно начинают возникать сомнения в безопасности литиевых батарей, вплоть до того, то крупнейший американский почтовый перевозчик USPS запрещает пересылку любых электронных устройств с Li-ion и Li-pol аккумуляторами. В случае с электроавтомобилями проблема ёмкости встаёт еще более остро, так как до сих пор не существует нормальной инфраструктуры для подзарядки аккумуляторов. Другая серьезная проблема современных литиевых батарей — ограниченный срок их «жизни». Обычно аккумулятора хватает примерно на тысячу циклов зарядки-разрядки.

Команда учёных Стенфордского университета под руководством И Цуй (известная как Yi Cui Lab), занимается исследованием нано-материалов, и в частности, разработкой батарей с большим количеством циклов. Их последнее изобретение — литиевая батарея на кремниевых нано-трубках — способна выдержать 6 тысяч циклов зарядки при ёмкости почти в десять раз превышающей обычную емкость литиевого аккумулятора.

«Хитрость» заключается в замене одного из компонентов — анода — на нано-материал.

В литиевой батарее три основных элемента: отрицательный электрод (анод), положительный электрод (катод) и соли лития в качестве электролита. Емкость батареи напрямую зависит от электрических свойств всех трёх компонентов.

Почти во всех литиевых аккумуляторах используется графитовый анод, емкость которого меньше 400 миллиампер в час на грамм веса, поэтому естественным ограничением емкости батареи становится вес и, соответственно, размер анода.

Учёным было известно, что теоретически кремний может быть более эффективным анодом, так как один атом кремния может связать 4 иона лития, в то время как требуется 6 атомов углерода, чтобы связать один ион лития. Однако до сих пор создать эффективную батарею с кремниевым анодом не удавалось: во время зарядки кремниевый анод расширяется почти в четыре раза от своего исходного объёма, а при разрядке «сдувается», и уже через несколько циклов трескается и выходит из строя. Кроме того, электролит вступает в реакцию с кремнием и покрывает его пленкой, препятствуя эффективной зарядке.

Уже совершались попытки использовать различные формы кремния, например, микропористый кремний, но ни одна из таких технологий не позволяла до сих создать анод с конкурентоспособным числом циклов. Инновационность разработки команды И Цуя состоит в использовании кремниевых нано-трубок с двойными стенками, покрытых оксидом кремния. Очень прочный наружный слой трубки не даёт ей расширяться наружу, вместо этого кремний безопасно «распухает» во внутреннюю полость трубки. Кроме того, диаметр трубки слишком мал, чтобы туда могли попасть молекулы электролита. Это позволяет кремниевому аноду выдержать 6 тысяч циклов зарядки, сохранив 85% исходной ёмкости.

Главная задача команды — придумать, как упростить производство кремниевых нано-трубок.

Сейчас это сложный четырёхэтапный процесс: создаются полимерные нано-волокна; они нагреваются, пока не превращаются в углерод; углерод покрывается кремнием; и лишь затем углерод удаляется и возможно получить кремниевые нано-трубки.

Разумеется, даже когда производство таких трубок будет налажено, мы не получим сразу же батарею десятикратной по сравнению с обычными литиевыми аккумуляторами ёмкостью. Ёмкость зависит также и от свойств катода и электролита, и команда Стэнфордского университета работает и над улучшением их свойств. В самых ближайших планах — выпустить батарею как минимум в два раза большей ёмкости, чем максимальная на данный момент, а для полного раскрытия потенциала кремниевых нано-трубок потребуется ещё несколько лет.

Попыткой найти альтернативный анод для литиевых батарей занимаются не только в Стэнфордском университете. Инженеры Северо-Западного университета США решили вместо графита использовать графен — двумерный аллотроп углерода толщиной в один атом, один из передовых материалов нано-технологий. Их анод составлен из миллионов слоёв графена, в каждом из которых с помощью химической реакции сделаны отверстия диаметром 10-20 нанометров. Благодаря этим отверстиям, ионам лития не приходится «обходить» каждый слой, чтобы вступить в реакцию, они могут перемещаться между слоями графена, проходя через отверстия.

Для дополнительного увеличения емкости между слоями графена размещаются кластеры кремния, каждый из которых связывает 4 иона лития. Гибкость слоёв графена позволяет кремнию безболезненно расширяться и сокращаться при связывании ионов лития, и даже если если из-за сокращений кремний распадется, он останется между листов графена.

В сумме это даёт эффект десятикратного увеличения ёмкости анода из-за применения кремния, и в то же время десятикратное уменьшение времени, требуемого на заряд аккумулятора из-за нано-отверстий в листах графена. Кроме того, учёные утверждают, что их батарея даже после 150 циклов зарядки сохраняет мощность в пять раз больше, чем обычная литиевая батарея. Разумеется, это все ещё слишком непродолжительная жизнь для батареи, и инженеры считают, что им понадобится ещё от трёх до пяти лет, чтобы довести технологию «до ума». Как и с любыми другими батареями, необходимо совершенствовать не только анод, но и катод, и электролит.

Возможно, секрет успеха создания новой батареи будет лежать в объединении двух технологий — использования листов графена совместно с кремниевыми нано-трубками.

Разработкой аккумуляторов высокой мощности для электромобилей занимается корпорация IBM в рамках своего проекта Battery 500. Его цель — создать достаточно компактную и мощную батарею, на которой семейный электромобиль смог бы проехать 500 миль. В начале апреля 2012 года инженеры IBM продемонстрировали свою последнюю разработку, литиево-воздушный аккумулятор. Используя собственные супер-компьютеры в Цюрихе и Чикаго, учёные провели расчеты по оптимизации реакции лития и кислорода в аккумуляторе. У новой батареи будет «открытая» структура: во время зарядки в батарею поступает воздух, и кислород вступает в реакцию с ионами лития, производя пероксид лития и электрическую энергию. Во время разрядки связанные атомы кислорода освобождаются и выходят обратно в атмосферу. Использование кислорода вместо позволяет добиться гораздо большей ёмкости батареи. Нынешние электромобили в среднем могут проехать 160 км, тогда как инженеры IBM уверены, что их аккумулятор позволит увеличить эту цифру до 800 километров. Впрочем, сами разработчики проекта считают, что Battery 500 станет доступной для потребителей не раньше, чем в следующем десятилетии.

Использование нано-технологий в создании аккумуляторов нового поколения теоретически может увеличить максимальную ёмкость в десятки раз. Это значит, что не только мобильные устройства смогут работать в десятки раз дольше, чем сейчас; благодаря большой плотности, можно будет производить аккумуляторы, такой же ёмкости как нынешние, но в десятки раз меньше. То есть это шаг не только к большей автономизации мобильных устройств и электроавтомобилей, но и к их миниатюризации. С развитием нано-технологий производство таких аккумуляторов будет неизбежно дешеветь, и вполне вероятно, что первые массовые батареи нового типа появятся уже в этом десятилетии.

polit.ru

Водоросли позволят производить энергоэффективные кремниевые батарейки

Водоросли позволят производить энергоэффективные кремниевые батарейки

Аккумуляторы из водорослей

Природный материал из водорослей позволит использовать в аккумуляторах кремниевые электроды, в десять раз более эффективные, чем современные графитовые. Это приблизит нас к эре «зеленых» электрокаров и батареек длительного периода работы.

Сегодня, в век синтетических материалов, волокон, лекарств, все еще оказывается полезным посмотреть на примеры природных соединений, которые по своим свойствам и качествам могут превосходить лучшие искусственно синтезированные вещества. Так, ученые предлагают заменить синтетический полимер, используемый в качестве связующего в аккумуляторах, природным – весьма распространенным компонентом водорослей.

Они предполагают, что такая замена позволит не только повысить эффективность работы используемых сегодня повсюду – от автомобилей до сотовых телефонов – литиевых батареек, но и ускорить практическое внедрение новых высокоэффективных аккумуляторов на кремниевых электродах.

Полисахарид альгинат, содержащийся в бурых водорослях, не только улучшает характеристики аккумуляторов, но и значительно снижает токсичность их производства.

Авторы работы – наши бывшие соотечественники Глеб Юшин и Игорь Лузинов, работающие сейчас в Технологическом институте штата Джорджия и Университете Клемсона (США).

«Создание более дешевых аккумуляторов с большей емкостью и большим временем работы могло бы оказать серьезное влияние на общество в будущем. Технология с использованием альгината, которую мы предлагаем, может стать кирпичиком в здании более энергоэффективной экономики, где будут широко использоваться электрокары, а сотовые телефоны и ноутбуки будут работать без зарядки гораздо дольше. Они также станут гораздо безопаснее для окружающей среды», – сказал Юшин, слова которого приводит пресс-служба Университета Клемсона.

Компонент, который ученые предлагают модернизировать, играет очень важную роль в функционировании аккумулятора. Стандартная современная батарейка состоит из двух электродов – катода и анода, связанных между собой жидким электролитом, по которому могут передвигаться ионы, и связующим веществом, которое должно предотвращать нарушения контакта между частицами активного вещества, что улучшает характеристики аккумулятора. Кремниевые аноды в перспективе предлагают гораздо большую – примерно в десять раз – емкость аккумулятора, однако с современным связующим они недостаточно стабильны для их реального использования. Кроме того, типичное связующее – фторопласт поливинилиденфторид – производится с использованием токсичного растворителя.

«Мы пытались найти подходящий материал в природных системах, живущих в сходных условиях, поэтому мы выбрали водные растения, существующие в сильно соленых средах (соленая вода, по сути, сама является электролитом, содержащим большое количество ионов – прим. «Газеты.Ru»).

Электроды погружены в жидкий электролит, поэтому растения, существующие в агрессивной среде соленой воды, показались нам идеальными кандидатами для производства природного связующего», – объяснил Лузинов.

Альгинаты – недорогие материалы, уже используемые в пищевой промышленности, фармакологии и стоматологии как загустители и стабилизаторы. Добывают их из обычной ламинарии, в которой содержание альгиновой кислоты колеблется от 15% до 30%. Выделять из водорослей (сразу в виде солей) ее можно с помощью обычной соды, поэтому такая технология будет очень «зеленой», безвредной для окружающей среды.

Физические свойства альгинатов идеально подходят для сборки наночастиц кремния или графита в электрод.

Более того, для их внедрения не требуется значительного изменения производственного процесса или самих батарей – производство альгината можно интегрировать в существующий сегодня технологический процесс.

Самое полезное свойство альгината – его высокая вязкость и эластичность. Во время работы батареи на поверхности анода образуется твердая «корочка», через которую легко проходят ионы лития, но не жидкий электролит. Объем наночастиц графита постоянен, поэтому эта твердая поверхность не претерпевает изменений во время работы и выполняет свою функцию. Объем наночастиц кремния – перспективного электродного материала – меняется в ходе работы электролита, и при использовании современного связующего поверхность трескается, электролит проникает в поры, закупоривает их, и аккумулятор выходит из строя.

Альгинат надежно цементирует наночастицы кремния и стабилизирует разделяющую поверхность, предотвращая разложение материала.

Опытный образец аккумулятора на кремнии и альгинате показал в восемь раз более высокую емкость, чем современные литиевые батарейки, и оставался стабильным в течение 1000 циклов зарядки-разрядки.

www.worldofnature.ru

Аккумуляторы в автопроме | Журнал Популярная Механика

Тем не менее кремний уже используется в серийных LIB. К примеру, графитовые электроды новых батарей Tesla Model S емкостью 96 кВт содержат 1−2% кремния. Но для кратной прибавки емкости его доля должна составлять хотя бы 15−20% - чем больше, тем лучше. Поэтому поиски решения продолжаются, а в химических лабораториях бушует «лихорадка». Идет тестирование прототипов гибридных анодов из аморфных нанокомпозитных смесей Si-C-S в эластичной полимерной матрице, пористых структур из чистого кремния, способных расширяться внутри заданного объема, и структур из полых наночастиц типа «ядро-оболочка».

Весьма обнадеживают результаты испытаний анодов из графеновых пластин с кремниевым нанопокрытием, а также их аналогов из нанокристаллов кремния, заключенных в жесткую углеродную матрицу. Рано или поздно сопротивление кремния будет сломлено. Но для того чтобы собрать батарею следующего поколения, высокоемкую High-Energy LIB, нам нужно поработать и над противоположным полюсом.

Пирамида Стейнберга Пирамида Стейнберга Емкость LIB определяется максимальным количеством ионов лития, образующихся на катоде во время подзарядки. Мощность LIB — это скорость, с которой проходит обратный процесс перемещения ионов с анода на катод. Максимальное количество рабочих циклов зависит от способности LIB повторно воспроизводить эти реакции, сохраняя приемлемый уровень плотности энергии. За увеличение емкости батареи неизбежно приходится платить снижением мощности или долговечности. И наоборот, рост мощности и долговечности непременно скажется на энергоемкости. Поэтому, разрабатывая LIB под конкретную задачу, необходимо определить, какие из трех перечисленных показателей важнее. Предложенная принстонским электрохимиком Дэном Стейнбергом пирамида иллюстрирует закономерности смешивания этого «литий-ионного коктейля». Все без исключения существующие батареи оказываются внутри этой фигуры. Оптимальная батарея для электромобиля расположена в центральной части пирамиды, промышленные аккумуляторы — внизу левой грани, где наибольшее значение имеют стоимость и долговечность.

Полюс фторида

В серийно выпускающихся LIB используется более десятка видов катодных материалов. Все они, за редким исключением, представляют собой смеси оксидов переходных металлов со слоистой микроструктурой и имеют различные электрохимические характеристики. По сути, в LIB катод выполняет функции «склада» лития, и суммарные объемы его «терминалов» определяют в итоге удельную плотность энергии батареи. Как и у любого «склада», практическая ценность катода зависит от множества факторов: пропускной способности подъездных путей (геометрии пор и гэпов между слоями оксидов), скорости обработки грузов (перемещение потока ионов лития по маршруту «анод-катод»), внутренней логистики (равномерного распределения частиц лития в массиве электрода) и т. д.

Проблема нынешнего поколения катодных материалов, в частности самых востребованных на рынке электромобилей версий — NMC (твердый раствор оксидов Ni, Mn и Co с легирующими добавками и покрытием из оксида алюминия) и NCA (смесь оксидов Ni, Co и Al), заключается в стремительном приближении удельной плотности энергии к теоретическому пределу — 300 мА·ч/г. В оксидных смесях каждый атом металла способен удержать только один ион Li. Но на практике из-за несовершенства микроструктуры этот показатель составляет обычно 0,6−0,7. В последнее время производители LIB проводят непрерывную модернизацию катодных материалов, различными путями повышая в них содержание Ni и Mn. К примеру, обогащенные литием экспериментальные NCA-катоды лаборатории Argonne уже вышли на уровень 100%-ной «утилизации» лития. Но что дальше? Повышение емкости за счет увеличения размеров и массы?

Замена графитовых анодов на кремниевые, а NMC-катодов на фторид меди обещает 2,5-кратный рост емкости LIB.

Конечно, пробить теоретический потолок можно и «в лоб». Но очевидно, что эпоха оксидных катодов потихоньку уходит в прошлое. Внятного ответа на этот вызов у ученых пока нет, но не исключено, что первыми это место займут материалы на основе фторида меди, разработанные американской компанией Wildcat Discovery. В паре с кремниевым анодом и новым неорганическим электролитом разработка Wildcat способна поднять емкость LIB в 2,5 раза. Фториды металлов, обладающие выдающейся плотностью заряда (свыше 500 мА·ч/г) и плотностью энергии (почти 1,9 кВт·ч/кг), еще в 1960-х были взяты исследователями «на карандаш». Но из-за слабой электропроводности, низкой удельной мощности и склонности к внезапной «клинической смерти» после нескольких циклов заряда-разряда о них забыли почти на полвека.

Представленная летом 2015 года версия электромобиля Tesla Model S P90D оснащается усовершенствованным аккумулятором на 90 КВт, графитовый анод которого содержит элементы из кремния.

Решить эти проблемы и создать работоспособный прототип катода из фторида меди сумели лишь в 2014 году, в ходе кооперации Wildcat с неназванным производителем LIB из первой мировой десятки. Фторид меди, являющийся изолятором, был внедрен в проводящую матрицу из фторида железа с молекулярным углеродным покрытием. Такие первичные элементы демонстрируют отличную мощность — высвобождение энергии происходит всего за 30 минут против прежних 50 часов — и высокое сопротивление старению. Тем не менее добраться до конвейера им в ближайшие годы вряд ли удастся. Как, впрочем, и литий-серным аккумуляторам, и литий-воздушным, слухами о которых наполнена околонаучная пресса. И причина тут вовсе не в сомнительной электрохимии, а в рутинном процессе разработки, который даже при современной методике высокоскоростного потокового анализа материалов требует многих лет кропотливой работы и инвестиций.

www.popmech.ru

"Кремниевые" аккумуляторы увеличат время работы устройств в 10 раз.

В качестве электролита будет использоваться всё тот же старый добрый литиево - ионный наполнитель, но кремниевая основа перспективных анодов обещает лучше и полнее с ним взаимодействовать. В перспективе ёмкости аккумуляторов с кремниевыми анодами могут оказаться в 10 раз больше, чем у современных батарей.

Разработкой кремниевых анодов несколько лет в содружестве занимаются группа учёных из университета стэнфорда и группа из Slac National Accelerator Laboratory. Свежая публикация даёт понять, что уже придуман и опробован способ получения устойчивых к разрушению кремниевых анодов. Дело в том, что в процессе заряда частицы кремния в составе анода увеличиваются в размерах до трёх раз. Это приводит к быстрому разрушению частиц на более мелкие части, что ухудшает параметры аккумуляторов. Также частицы анода от взаимодействия с электролитом покрываются тонкой плёнкой вещества, что также ухудшает их характеристики, поскольку проводимость в этом случае снижается. Ранее группа предложила создавать аноды в виде условного фрукта граната, в котором зёрна - частицы разделены оболочкой. Предложенная методика инкапсулирования частиц кремния как раз этой задумке отвечает.

Крупные частицы кремния - до трёх микрон - заключаются в оболочку из никеля. Затем на никеле, который выступает в роли катализатора, вокруг частицы выращивается графеновая оболочка. После этого следует процесс травления в кислоте, вымывающий никель. В результате на выходе мы имеем набор тесно связанных графеновых оболочек, внутри каждой из которых "Болтается" частичка из кремния.

Графеновые оболочки отчасти гибкие, но не теряют основную форму, поэтому структура анода практически постоянная, хотя может немного "Дышать". Частички кремния в процессе заряда раздуваются до определённого размера и в случае разрушения всё равно остаются внутри оболочки. Обволакивания их электролитом в данном случае не происходит. Иначе говоря, батарея с таким анодом может выдержать большее число циклов разряда и заряда.

science.ru-land.com

Кремниевые аккумуляторы сделают электромобиль доступнее

Кремниевые аккумуляторы сделают электромобиль доступнее

Емкость аккумуляторных батарей – наиболее значимый параметр, ограничивающий эксплуатационные характеристики современных электромобилей. В частности — как раз от емкости зависит пробег от одного заряда. Но неприятность не только в том, дабы отыскать метод повышения емкости.

Нужно отыскать ответ технологичное и недорогое, пригодное для массового производства.

Как раз над таким ответом трудятся исследователи из Университета Райса. Сравнительно не так давно они внесли предложение применять в качестве отрицательного электрода в литиевых аккумуляторная батареях кремний вместо графита, что разрешит расширить емкость батарей как минимум в три раза.

Коллектив из Райса возглавляемый инженером Сибани Лиза Бисваль (Sibani Lisa Biswal) и научным сотрудником Мадхури Тхакур (Madhuri Thakur) создал кремниевые электроды, выдерживающие до 600 циклов заряда-разряда. Наряду с этим удельная емкость нового материала образовывает 1000 мА-час/грамм, тогда как простые графитовые электроды удержать не более 350 мА-час/г.

В рамках долговременного сотрудничества с Центром нанотехнологий Lockheed Martin в Райсе университетские ученые трудились над разработкой пористых кремниевых пленок и достигли определенных удач. О том, что кремний действеннее графита было известно в далеком прошлом. Но неприятность при работе с пленками пребывала в том, что кремниевые наноструктуры, вбирая в себя ионы лития, разбухают в три раза от начальных размеров. Это происходит с каждым зарядом.

В следствии периодических сжатий и расширений кремниевые электроды скоро приходят в негодность. Разные ухищрения, к каким прибегали исследователи, были действенными, но сложными в практической реализации.

Настоящим достижением стало предложение Мадхури Тхакур растереть пленки в порошок. Раздробленные в порошок пористые наноструктуры кремния владеют огромной внешней поверхностью. В случае если площадь поверхности частиц порошка простого кремния достигает 0,71 кв. м. на грамм порошка, то у материала, созданного в Университете Райса она больше в 50 раз, и образовывает 46 квадратных метров поверхности на любой грамм веса.

Громадная поверхность разрешает частицам общаться с громадным числом ионов лития, что в конечном счете свидетельствует громадную удельную емкость. Но «литирование» порошка не ведет к набуханию электрода, поскольку между отдельными частицами достаточно свободного места.

По словам Мадхури Тхакур порошок несложен в производстве и его легко применять для аккумуляторная батарей. Материал экономически действен, и снабжает высокую концентрацию энергии при громадном количестве зарядно-разрядных циклов.

Вышеприведенная цифра удельной емкости 1000 мА-час на грамм вещества достигнута фактически в лабораторных условиях. Исследователи изготовили половину ячейки аккумулятора, у которой хороший электрод выполнен из железного лития. Но, не обращая внимания на то, что полученное значение втрое выше, чем для графитовых электродов, оно, как предполагают ученые, образовывает только третью часть теоретического потенциала.

В замыслах ученых тестирование и создание полной аккумуляторной батареи, и опыты с применением в качестве катода новых перспективных материалов, таких как оксид кобальта.

По данным Rice University

  • аккумулятор
  • аккумуляторная батарея
  • кремниевый аккумулятор
  • кремний

Аккумулятор ТЕСЛА ЧТО ВНУТРИ??? Разборка батареи от электромобиля TESLA Model S

Интересные записи на сайте:
Подобранные по важим запросам, статьи по теме:

sovzondconference.ru