Гурприт Сингх, доцент кафедры машиностроения и ядерной инженерии, и его исследовательская группа создали аккумуляторный электрод, используя стекло-оксикарбид кремния и графен.Аккумуляторный электрод имеет все нужные характеристики. Он более чем на 10 процентов легче электродов других аккумуляторов.
Он имеет почти 100-процентный КПД при более чем 1000 циклах заряда-разряда. Он изготовлен из недорогих материалов, являющихся побочными продуктами силиконовой промышленности.
И он работает при температурах до минус 15 ° C, что дает ему широкие возможности для применения в воздухе и космосе.Исследование опубликовано в статье Nature Communications «Стекло-графеновый композитный бумажный электрод на основе оксикарбида кремния для литий-ионных аккумуляторов длительного цикла».
Исследовательская группа Сингха изучает новые комбинации материалов для батарей и электродов. Было сложно включить графен и кремний в практические батареи из-за проблем, которые возникают при высоких массовых нагрузках, таких как низкая емкость на единицу объема, низкая эффективность циклирования и химико-механическая нестабильность.Команда Сингха решила эти проблемы, изготовив самонесущий и готовый к работе электрод, который состоит из стекловидной керамики, называемой оксикарбидом кремния, зажатой между большими пластинками химически модифицированного графена или CMG. Электрод имеет высокую емкость, составляющую приблизительно 600 миллиампер-часов на грамм — 400 миллиампер-часов на кубический сантиметр, — которая получена из оксикарбида кремния.
Подобный бумаге дизайн состоит из 20% химически модифицированных пластинок графена.«Конструкция, похожая на бумагу, заметно отличается от электродов, используемых в современных батареях, потому что она устраняет металлическую фольгу и полимерный клей, которые не влияют на емкость батареи», — сказал Сингх.
Конструкция, разработанная командой Сингха, позволила сэкономить около 10 процентов от общего веса ячейки. В результате получился легкий электрод, способный накапливать литий-ионные и электроны с почти 100-процентной эффективностью циклирования в течение более 1000 циклов заряда-разряда. По словам Сингха, наиболее важным аспектом является то, что материал способен продемонстрировать такие характеристики на практическом уровне.Ячейки с бумажными электродами также способны обеспечивать емкость 200 миллиампер-часов на грамм даже при хранении при минус 15 градусах Цельсия в течение месяца, что весьма примечательно, учитывая, что большинство батарей не работают при таких низких температурах, сказал Сингх.
«Это говорит о том, что перезаряжаемые батареи из силиконового стекла и графеновых электродов также могут быть подходящими для беспилотных летательных аппаратов, летающих на больших высотах, или, возможно, даже для космических приложений», — сказал Сингх.По словам Сингха, сам по себе оксикарбид кремния является особенным.
Его получают путем нагревания жидкой смолы до точки, при которой она разлагается и превращается в острые стеклообразные частицы. Атомы кремния, углерода и кислорода перестраиваются в случайную трехмерную структуру, и любой избыток углерода осаждается в клеточные области. Такая открытая трехмерная структура создает большие площадки для обратимого хранения лития и гладкие каналы для транспортировки литий-ионов.
Эта структура и механизм хранения лития отличается от электродов из кристаллического кремния. Ожидается, что электроды из оксикарбида кремния будут дешевыми, поскольку сырье — жидкая смола — является побочным продуктом силиконовой промышленности.
Двигаясь вперед, Сингх и его команда хотят решать практические задачи. Целью Сингха является производство электродного материала еще большего размера. Например, в современных батареях типа «карандаш» используются электроды из медной фольги с графитовым покрытием, длина которых превышает один фут. Команда также хотела бы провести испытания на механический изгиб, чтобы увидеть, как они влияют на рабочие параметры.
«В конечном счете, мы хотели бы работать с промышленностью, чтобы изучить возможность производства полных ячеек литий-ионных аккумуляторов», — сказал Сингх. «Оксикарбид кремния также можно получить с помощью трехмерной печати, что является еще одной областью, которая нас интересует».