Průlom v Li-ion bateriích: Nové laserové anody si po 2000 cyklech drží 98 % kapacity a nabíjí se ultrarychle

Vědci vyvinuli novou laserem vyrobenou křemíkovo-grafenovou anodu, která umožňuje lithium-iontovým (Li-ion) bateriím dosahovat vysoké kapacity s téměř nulovým poklesem výkonu.

Vědci vyvinuli novou laserem vyrobenou křemíkovo-grafenovou anodu, která umožňuje lithium-iontovým (Li-ion) bateriím dosahovat vysoké kapacity s téměř nulovým poklesem výkonu. Tento objev představuje významný krok vpřed v technologii baterií, které jsou klíčové pro elektromobily a přenosnou elektroniku.

Křemík je dlouho považován za slibnou alternativu k tradičním grafitovým anodám díky své vyšší teoretické kapacitě. Jeho širšímu využití však bránily problémy s nízkou účinností, strukturální nestabilitou během nabíjecích cyklů a náročnou předlithiací. Tým vědců z Tel Avivské univerzity v Izraeli, vedený profesorem Fernandem Patolskym, tyto překážky překonal jednokrokovým laserovým procesem.

Nová metoda umožňuje současně syntetizovat a integrovat předlitiované křemíkové nanočástice do vodivé grafenové matrice. Proces probíhá za běžných podmínek a využívá jednoduché prekurzory, což eliminuje potřebu složité víceúrovňové výroby nebo reaktivního lithiového kovu. Vzniká tak samonosný, vzduchem stabilní předlitiovaný kompozit z ternární směsi fenolické pryskyřice, křemíkových nanočástic a lithiových solí, který je vystaven rychlému laserovému záření s nízkým výkonem. Lokální teplo a tlak spouštějí reakce mezi křemíkem a lithiovými solemi, přičemž nejlepšího výkonu bylo dosaženo s hydroxidem lithným (LiOH).

Tento přístup umožňuje in situ předlitiaci a zároveň formuje laserem indukovaný grafen (LIG). Tato 3D porézní, elektricky vodivá forma grafenu vytváří stabilní a vysoce vodivou strukturu, která podporuje křemíkové částice. Materiál má strukturu jádra a pláště, kde jsou částečně litiované křemíkové nanočástice potažené tenkou vrstvou křemičitanu lithného a zapuštěné v porézní vodivé matrici. Tato struktura zároveň tlumí objemovou expanzi, což je běžný problém, který způsobuje degradaci křemíkových anod v průběhu času.

Při testování si prototyp křemíkovo-grafenové anody udržel více než 98 procent své kapacity po více než 2 000 cyklech při proudové hustotě pěti ampérů na gram, s zanedbatelným poklesem ve srovnání s nelitiovanými protějšky. Hodnocení výkonu ukázalo, že anoda dosáhla kapacity přes 1 700 miliampérhodin (mAh) na gram s počáteční coulumbickou účinností nad 97 procent. To naznačuje silný potenciál pro aplikace s rychlým nabíjením, zejména v elektromobilech a přenosné elektronice. Anody také vykazují ultrarychlé nabíjecí schopnosti, udržující až 63 procent své maximální kapacity při 10 A g-1.

Tato inovace nejen posouvá vývoj Li-ion baterií nové generace, ale také vytváří rámec pro přeměnu snadno dostupných a nákladově efektivních prekurzorových materiálů na vysoce výkonné elektrody, což slibuje snížení složitosti a nákladů při výrobě baterií. Tým prokázal škálovatelnost metody a vyrobil elektrody o délce až 20 centimetrů s potenciálem pro výrobu roll-to-roll. V testech plných článků s katodami LiFePO4 baterie nevykazovaly žádnou měřitelnou ztrátu kapacity po 500 cyklech při rychlosti 1C.