В обычной батарее анод составлен из огромного множества слоёв графита (фактически тут можно говорить о графене – одноатомных углеродных листах). Такой материал может удерживать один атом лития на каждые шесть атомов углерода.
Исследователи давно пробуют заменить углерод кремнием, тот способен захватывать по четыре атома лития на каждый свой атом. Но в процесс захвата и отдачи лития кремний очень сильно расширяется и сжимается, что приводит к разрушению электрода и быстрому падению ёмкости батареи.
Чтобы решить эту проблему, Гарольд и его соратники придумали графено-кремниевый композит. Графеновые листы, между которыми зажаты кластеры из атомов кремния, своей податливостью и подвижностью обеспечили пространство для изменения объёма электрода без его разрушения.
Что до скорости зарядки, то авторы электрода тоже нашли способ поднять её на порядок. С помощью химического процесса они создали в графеновых листах набор отверстий (дефектов в плоскости) поперечником по 10-20 нанометров каждое.
Эти углеродные вакансии значительно повысили скорость диффузии ионов через листы композита, сообщают авторы новинки в журнале Advanced Energy Materials.
Окна в углеродных слоях позволяют литию быстрее достигать внутренних слоёв бутерброда, нежели это происходит в обычном электроде.
Все вместе эти инновации позволили существенно поднять параметры батареи. «Даже после 150 зарядов, которые означают год или более работы, эта батарея всё ещё в пять раз более эффективна, чем литиево-ионные аккумуляторы, присутствующие на рынке сегодня», — говорит Кунг.
