Samsung разработала способ защиты кремниевых анодов в аккумуляторных батареях. Предложенная исследователями конструкция позволяет добиться практически двукратного увеличения емкости батареи при адекватном сроке эксплуатации.

Исследователи из Samsung Electronic при участии южнокорейских коллег разработали анод для литиево-ионных батарей, позволяющий почти вдвое повысить емкость элемента питания. Работа была опубликована в журнале Nature Communications. Компания Samsung в настоящее время патентует разработку.

Электрический аккумулятор состоит из электродов (катода и анода) и электролита. В современных литиево-ионных аккумуляторах используют анод из графита. Этот материал зарекомендовал себя благодаря относительно высокой плотности заряда и долговечности. Однако развитие микроэлектронной промышленности ведет к повышению требований к источникам питания. Исследователи экспериментируют с новыми материалами для батареи. Весьма перспективным сырьем для катода считается кремний — тот же материал, который используется в микрочипах.

Кремний позволяет достичь 10-кратного увеличения плотности электрического заряда по сравнению с анодами из графита. Однако есть и обратная сторона — во время заряда батареи такой анод расширяется, в во время разряда — сужается. В результате он растрескивается и быстро выходит из строя. Компания Samsung придумала способ защиты от этого эффекта, что позволяет достичь приемлемого эксплуатационного срока.

Суть изобретения заключается в применении графена — перспективного материала, представляющего собой двухмерную решетку из атомов углерода. Samsung предложила оборачивать фрагментами графена наночастицы кремния в аноде по принципу расположения листьев в кочане капусты. При расширении наночастиц в процессе заряда батареи фрагменты графена будут раздвигаться, но по-прежнему закрывать кремний.

Инженеры также придумали способ нанесения графена на наночастицы кремния без образования его карбида — диэлектрика, снижающего эксплуатационные характеристики источника питания.

По словам авторов работы, полученная батарея с кремниевым анодом обладает в 1,8 раза более высокой плотностью электрического заряда при первом цикле зарядки и в 1,5 раза при 200 цикле перезарядки.

Проблемой быстрого разрушения кремниевых анодов занимаются исследователи со всего мира. В начале 2014 г. ученые из Стэнфордского университета и лаборатории SLAC National Accelerator при Министерстве энергетики США предложили похожий способ защиты от деформации — поместив частицы кремния в оболочку из углерода, которая бы ограничивала расширение материала.