Кремний - элемент будущего в основе аккумуляторов

Кремний - элемент будущего в основе аккумуляторов

Более длительные промежутки времени, более длинные диапазоны и более короткие перезарядки - такие изменения, как электромобильность или миниатюризация электроники, требуют новых материалов для хранения перезаряжаемых батарей.

Обладая огромной емкостью для хранения, кремний будет иметь значительные преимущества по сравнению с материалами, используемыми в обычных литий - ионных батареях.

Однако из-за его механической нестабильности практически невозможно использовать кремний для технологии хранения. Исследовательская группа из Института материаловедения Христианско - Альбрехтского университета в Киле (CAU) в сотрудничестве с компанией RENA Technologies GmbH хочет разработать аноды из 100-процентного кремния и концепцию их промышленного производства.

Тщательно структурируя данную поверхность на микроуровне, команда может полностью использовать потенциал хранения кремния. Это совершенно новый подход к перезаряжаемым батареям и энергосбережению завтрашнего дня. Производство и применение кремниевых анодов будет представлено партнерами в Ганновер-Мессе на стенде CAU.

"Кремний долгое время был надеждой на электрическую мобильность", - говорит доктор наук материаловедения Сандра Хансен (Sandra Hansen). "Теоретически кремний является лучшим материалом для анодов в батареях. Он может хранить до десяти раз больше энергии, чем графитовые аноды в обычных литий-ионных батареях".

"Электрические автомобили могут путешествовать на большие расстояния, батареи мобильных телефонов дольше, а зарядка намного быстрее. Другим преимуществом полуметалла является его неограниченная доступность, ведь обычный песок состоит почти исключительно из диоксида кремния".

«Кремний - второй по численности элемент кислорода после кислорода и, следовательно, почти неограниченный, экономически эффективный ресурс», - продолжила Хансен. Но до сих пор жизнь кремниевых анодов была слишком низкой для использования в батареях. Причина - высокая чувствительность материала. Во время зарядки ионы лития перемещаются между анодом и катодом. Кремний, как материал с наивысшей плотностью энергии поглощает особенно большое количество ионов лития. В результате он расширяется на 400 процентов и в конечном итоге будет ломаться. Кильский институт материаловедения изучает кремний почти 30 лет.

Полученные на сегодняшний день результаты - в сочетании с опытом работы с кремнием RENA Technologies GmbH в области солнечной технологии - предназначены для производства анодов из 100-процентного кремния для батарей. Это значительно увеличивает их потенциал хранения. Аноды в обычных аккумуляторных батареях до настоящего времени составляли примерно от 10 до 15 процентов кремния. В прошлом году был запущен совместный исследовательский проект "Разработка и характеристика крупномасштабных пористых Si - пленочных анодов для систем хранения энергии литий-серо-кремний" (PorSSi), финансируемых Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF) общим объемом в один миллион евро. Цель проекта - разработать мощную кремниевую батарею и концепцию ее рентабельного промышленного производства.

«Сотрудничество между CAU и RENA объединяет многолетний опыт фундаментальных исследований в области промышленного производства и развития завода», - подчеркивает доктор Хольгер Х. Кюнлейн (Dr. Holger H. Kühnlein), старший вице-президент по технологиям RENA Technologies GmbH. «Именно так мы как можно быстрее получаем представление о фундаментальных исследованиях института в области промышленного применения», - добавляет профессор Райнер Аделанг (Rainer Adelung) , руководитель рабочей группы «Функциональные наноматериалы» в CAU, где были получены многие предыдущие идеи о кремнии. «Это реальные инновации».

Наука неуклонно стремится вперед, и новое использование кремния в абсолютно нестандартной области, наталкивает на мысль, что мы так мало знаем о химических элементах, и разработки в этой области не прекратятся.

Наоборот, как писал Д.И.Менделеев, "Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещаются".