Представьте мобильный телефон, который может держать заряд дольше недели, а потом заряжается всего лишь за 15 минут. Фантастика? Да, но она может осуществиться благодаря исследованию ученых из Северо-Западного университета (США, штат Иллинойс, г. Эванстон).

Группа инженеров разработала электрод для перезаряжаемых литиево-ионных батарей (сегодня они используются во многих сотовых телефонах), который позволяет повысить их энергетическую емкость в 10 раз. Приятные сюрпризы этим не ограничиваются – новый аккумуляторные батареи умеют заряжаться быстрее сегодняшних батарей в 10 раз.

Чтобы преодолеть ограничения, налагаемые современными технологиями на скорость заряда и энергетическую емкость батареи, ученые использовали два разных химико-технологических подхода. Аккумулятор, полученный в результате, даст возможность не только увеличить время работы небольших электронных устройств (лэптопов и телефонов), но и приготовить базу для создания более компактных и эффективных аккумуляторных батарей для электромобилей.

«Мы придумали способ, как увеличить период удержания заряда литиево-ионной батареи в десять раз», - заявил профессор Гарольд Х. Кунг, являющийся одним из авторов исследования. – «Даже через 150 процессов зарядки-разрядки, что соответствует примерно году работы, она остается в пять раз эффективнее литиево-ионных батарей, представленных на сегодняшнем рынке».

Функционирование литиево-ионной батареи основывается на химической реакции, где ионы лития двигаются между катодом и анодом, расположенными на противоположных концах батареи. В ходе эксплуатации аккумулятора ионы лития передвигаются от анода к катоду сквозь электролит. При зарядке их направление меняется в противоположную сторону. Аккумуляторные батареи, существующие на данный момент, характеризуются двумя важными ограничениями. Их энергетическая емкость – время удержания батареей заряда – ограничивается плотностью заряда, то есть тем, сколько всего ионов лития может расположиться на катоде или аноде. Одновременно скорость зарядки подобного аккумулятора ограничивается скоростью, с которой ионы лития могут двигаться к аноду через электролит.

В сегодняшних перезаряжаемых батареях в аноде, выполненном из большого количества листов графена, на каждые шесть атомов углерода (графен из них состоит) может приходиться только один атом лития. Пытаясь увеличить энергетическую емкость аккумуляторных батарей, ученые уже пробовали заменить углерод на кремний, который вмещает намного больше лития: по четыре атома лития на один атом кремния. Но кремний в ходе зарядке резко сжимается и расширяется, чем приводит к фрагментации вещества анода и в результате к быстрой потери зарядной емкости батареи.

Сегодня низкая скорость зарядки аккумуляторной батареи объясняется формой графеновых листов: в сравнении с толщиной (один атом) их длина выглядит непомерно большой. Иону лития во время зарядки необходимо преодолеть путь до наружных краев графеновых листов, а потом пройти между ними и где-то внутри них остановиться. Поскольку литию, чтобы достигнуть середины графенового листа, нужно немалое время, у его краев происходит что-то похожее на ионный затор.

Как было уже сказано, группа исследователей Кунга решила эти проблемы, используя две технологии. Во-первых, чтобы обеспечить устойчивость кремния, а значит, поддержать наибольшую зарядную емкость батареи, они расположили кластеры кремния между графеновыми листами. Это дало возможность увеличить в электроде количество ионов лития, используя одновременно гибкость графеновых листов для учета изменений объема кремния в ходе зарядки-разрядки батареи.

«Сейчас мы обоих зайцев убиваем одним выстрелом», - говорит Кунг. – «С помощью кремния мы можем получить более высокую плотность энергии, а смена слоев снижает потерю мощности, к которой привело расширение и сокращение кремния. Сам кремний, даже при разрушении его кластеров, никуда больше не денется».

Наряду с этим, исследователи применили процесс химического окисления с целью создания миниатюрных (всего 10-20 нанометров) отверстий в листах графена, обеспечивающих ионам лития «скорый доступ» внутрь анода с дальнейшим хранением в нем после реакции с кремнием. Это сократило время, нужное для зарядки батареи, в 10 раз.

До сих пор все усилия по оптимизации функционирования батарей направлялись на одну из составляющих – анод. На следующей стадии исследований ученые с аналогичной целью будут изучать изменения в катоде. Также они доработают электролитную систему так, чтобы аккумуляторная батарея могла автоматически (и обратимо) отключаться при высоких температурах – такой защитный механизм пригодился бы в применении батарей в электромобилях.

Разработчики утверждают, что новая технология в текущем виде будет представлена на рынке в течение ближайших трех-пяти лет.