Американские учёные хотят в 10 раз увеличить ёмкость литиевых батарей с помощью красного фосфора

Учёные из Аргоннской национальной лаборатории добились прогресса в создании литийионных аккумулятора с увеличенной емкостью. Новая разработка обещает десятикратно увеличить энергетическую ёмкость анодного материала и привести к появлению более ёмких, чем сегодня аккумуляторов.

Современные литийионные батареи используют анод из графита. Это стабильный в условиях батареи материал. Он не растрескивается даже после 1000 циклов заряда и разряда, хотя каждый такой цикл сопровождается насыщением графитового анода литием и его последующей отдачей. И всё бы хорошо, только графит обладает сравнительно невысокой энергетической ёмкостью.

Для постепенного повышения ёмкости литийионных батарей нужны новые материалы для анода. В качестве таких материалов рассматриваются два наиболее перспективных ― это кремний и фосфор. Каждый из них имеет теоретическую энергетическую емкость, по крайней мере, в 10 раз большую, чем графит. Аноды из кремния уже не кажутся фантастикой и даже обещают попасть в коммерческие продукты не позже, чем через пять лет. Но исследователи из Аргоннской национальной лаборатории не доверяют этому материалу.

По словам американских учёных, у кремния две глобальные проблемы как у материала для анодов в литийионных батареях. Во-первых, кремний подвержен расширению при насыщении литием и обратному сокращению при его отдаче, а это ведёт к разрушению структуры анода и к потере ёмкости.

Во-вторых, у кремния низкая кулоновская эффективность (отношение запасённой/отдаваемой энергии к полученной от зарядного устройства). Этот показатель для батарей с анодом из кремния менее 80 %, тогда как для коммерческой продукции он должен быть выше 90 %. Остаётся фосфор, и на этом направлении наметился прорыв.

Изображение изменения размеров и фазового состояния частичек анода из фосфора в процессе заряда, разряда и в нейтральном состоянии (Argonne National Laboratory / Guiliang Xu)

Учёные сначала сделали композитный анод с использованием частиц чёрного, а затем и красного фосфора. Частицы фосфора измельчаются до микрометрового размера и затем соединяются с такими же по размеру частицами углерода. Полученный материал показал кулоновскую эффективность свыше 90 %, что открывает композитному аноду путь к коммерческому производству.

От использования чёрного фосфора решено отказаться по экономическим соображениям, хотя у него электронная проводимость выше, чем у красного фосфора. Зато сравнительная дешевизна получения красного фосфора обеспечит хорошее сочетание стоимости и ёмкости для литийионных аккумуляторов на композитных анодах. Осталось только найти производителя, который готов начать сотрудничество с учёными, чем сейчас последние и занимаются. Пожелаем им удачи. Нам нужны более ёмкие и не такие дорогие аккумуляторы.