Membros do Instituto de Física Nuclear D. V. Skobeltsyn e colegas da Faculdade de Química da Universidade Estadual de Moscou Lomonosov desenvolveram um novo material à base de silício e germânio que pode aumentar significativamente as características específicas das baterias de íon-lítio. Os resultados da pesquisa foram publicados no Journal of Materials Chemistry A .

As baterias de íon-lítio são o tipo mais popular de sistema de armazenamento de energia para dispositivos eletrônicos modernos. Eles são compostos por dois eletrodos - os negativos (ânodo) e os positivos (cátodo), que são colocados em um gabinete hermético. O espaço intermediário é preenchido com um separador poroso, embebido em uma solução eletrolítica condutora de íon de lítio. O separador evita curto-circuitos entre os eletrodos bipolares e fornece o volume do eletrólito, necessário para o transporte de íons. A corrente elétrica em um circuito externo é gerada quando os íons de lítio extraem do material do ânodo e se movem através do eletrólito com posterior inserção no material do cátodo. Contudo, a capacidade específica de uma bateria de íon de lítio é amplamente definida pelo número de íons de lítio que podem ser aceitos e transferidos por materiais ativos do ânodo e do cátodo.

Os cientistas desenvolveram e estudaram um novo material de ânodo que permite aumentar significativamente a eficiência energética das baterias de íon-lítio. O material é adequado para utilização em baterias de íon-lítio de filme fino e a granel.

O físico Victor Krivchenko, um dos autores, diz, "Muita atenção é dada atualmente à elaboração de materiais anódicos à base de silício e germânio. Ao interagir com íons de lítio, esses elementos são capazes de gerar ligas cuja capacidade específica teoricamente supera a do grafite, o material de ânodo tradicional usado em baterias de íon de lítio modernas. "

Entre todos os materiais de ânodo conhecidos, o silício possui a maior capacidade gravimétrica de lítio, teoricamente atingindo até 4200 mAh / g. Isso o torna o material mais promissor para baterias com densidade de energia aprimorada. O germânio é mais caro e tem menos capacidade gravimétrica do que o silício. Contudo, é melhor na condução de corrente. Além disso, A difusão do íon de lítio dentro do germânio é várias ordens de magnitude mais rápida do que dentro do silício. Essas peculiaridades do germânio conferem um aumento substancial da densidade de energia da bateria sem alteração significativa de volume.

O principal problema dos materiais do eletrodo é que sua estrutura sofre degradação significativa no processo cíclico de carga e descarga, resultando em falha da bateria. Os cientistas propõem resolver este problema com materiais nanoestruturados e desenvolvimento de materiais compósitos nos quais nanoestruturas de carbono possam ser aplicadas como matrizes estabilizadoras. A transição da distribuição tradicional bidimensional para a distribuição tridimensional de um material ativo na superfície do eletrodo pode ser considerada uma solução alternativa.

Victor Krivchenko diz, "A principal novidade do projeto é a ideia de usar uma matriz formada por estruturas de carbono crescidas em plasma com arquitetura de superfície muito complexa para a implementação de anodos à base de silício e germânio com propriedades estruturais e funcionais desejadas. Essas estruturas são compostas por densos matriz de nanowalls semelhantes ao grafeno, orientado verticalmente para a superfície de um substrato metálico. "

Os cientistas aplicaram a técnica de pulverização catódica magnetron, forneceu revestimento homogêneo de superfícies de nano-paredes com camadas de silício ou germânio de 10 a 50 nm de espessura. Ao mesmo tempo, a estrutura final do ânodo composto pode ser composta de uma ou de camadas alternadas de material ativo. Foi demonstrado que a arquitetura tridimensional obtida fornece alta capacidade específica e aumenta a estabilidade de características específicas de ânodos à base de silício e germânio.

O cientista diz, "Os resultados da pesquisa podem apoiar tecnologicamente a elaboração de materiais de eletrodo promissores para sistemas de armazenamento de energia de próxima geração. No âmbito do projeto, os cientistas alcançaram resultados de classe mundial na área de aplicação de novos materiais nanoestruturados, junto com a elaboração e estudo de suas propriedades eletroquímicas e físico-químicas. Os estudos forneceram novos dados experimentais relativos ao comportamento da nanoestrutura em sistemas eletroquímicos. "