Созданные ими нанопорошки способны вдвое увеличить емкость батарей и существенно продлить срок их службы.
Исследователи из отдела прикладной физики физического факультета Новосибирского государственного университета в сотрудничестве со специалистами из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН разработали способ увеличения удельной емкости и числа циклов зарядки-разрядки литий-ионных батарей. Это стало возможным благодаря использованию анодного материала в форме нанопорошка на основе кремния, полученного учеными отдела прикладной физики ФФ НГУ под руководством заведующего отделом кандидата физико-математических наук Александра Евгеньевича Зарвина. Способ его синтеза недавно был запатентован вузом. Индустриальные партнеры НГУ уже высказали заинтересованность во внедрении этой разработки.
При получении нанопорошка ученые используют метод разложения кремний- и углеродсодержащих газов (пиролиз) с последующим синтезом твердых веществ кремний-углеродного состава. Для этого исходные газы путем адиабатического сжатия нагревают до высоких температур, при которых происходит их разложение до атомарного уровня. В установке — циклическом химическом реакторе сжатия «Гипербар» — в точке наибольшего сжатия (или верхней мертвой точке) достигается давление 3—12 мегапаскалей, что в десятки раз превышает атмосферное. При сжатии газы нагреваются. Затем следует стадия расширения, в ходе которой из атомов кремния и углерода образуются композитные наночастицы, составляющие основу анодного материала.
«Наряду с высокой электрической емкостью кремний характеризуется очень низкой стойкостью к циклам заряда-разряда. При заряде кремний претерпевает трехкратное увеличение объема и без каких-либо ухищрений после первых же циклов заряда-разряда структура кремния разрушается, а его емкость катастрофически падает. Создание структуры с кремниевым ядром и углеродной оболочкой представляется решением проблемы. Прочная углеродная оболочка должна обеспечить удержание кремния в ядре от разрушения, а ее высокая электропроводность — высокие электропроводящие характеристики анода. Разработанный способ позволяет получать именно такие наночастицы размером несколько десятков нанометров с кремниевым ядром и углеродной (графеновой) оболочкой. Побочным продуктом реакции является газообразный водород, который также представляет коммерческий интерес. Способ, которым производятся нанопорошки, характеризуется высокой производительностью и высокой однородностью частиц порошка по размеру, что выгодно отличает его от многих других способов получения нанопорошков», — объяснил сотрудник отдела прикладной физики ФФ НГУ Борис Семёнович Ездин.
Впервые ученые получили нанопорошки во время проведения другого исследования, когда занимались конверсией природного газа на собственной установке «Гипербар». Они пытались преобразовать природный газ в химически ценное сырье, так называемый синтез-газ, представляющий собой смесь угарного газа и водорода. По ходу экспериментов исследователи пришли к выводу, что можно получать еще и углеродные порошки хорошего качества в различных аллотропных формах.
«Для литий-ионных батарей весьма перспективными считаются порошки, в которых кремний совместно с углеродом образует композит. Оказалось, что именно этот порошок позволяет увеличить удельную емкость таких батарей, причем не на проценты, а в несколько раз. Для начала — в два, но это не предел. Таким образом, мы получили анодный материал для литий-ионных батарей, обладающий высокой устойчивостью структуры в процессе циклирования и высокими удельными электрохимическими характеристиками. Наше изобретение может применяться при производстве литий-ионных аккумуляторов, используемых для питания крупногабаритных электростанций, гибридных и электрических транспортных средств, систем бесперебойного электроснабжения, робототехники и автономных устройств, компьютеров и мобильных телефонов», — рассказал Борис Ездин.
Пресс-служба НГУ
