В швейцарском Институте Поля Шеррера (PSI) и Высшей технической школе Цюриха (ETH Zurich) разработали простую и недорогую процедуру, позволяющую значительно улучшить производительность обычных литий-ионных аккумуляторов. Она подходит для батарей всех размеров — для часов, смартфонов, ноутбуков и автомобилей — увеличивает их емкость и сокращает время зарядки.
Достичь это авторам, опубликовавшим статью о своём изобретении в журнале Nature Energy, удалось не обращаясь к новым материалам, а более полно реализуя потенциал уже имеющихся — оптимизировав графитовый анод литий-ионной батареи.
Графит состоит из спрессованных слоев. При зарядке-разрядке батареи ионы лития должны просачиваться сквозь эту плотную массу в обоих направлениях. Для этого им приходится находить обходные пути, что снижает производительность батареи.
Избавиться от этого недостатка можно, если на стадии изготовления выстроить эти слои вертикально: перпендикулярно поверхности анода, ориентированными в направлении катода.
Для этого ученые ETH Zurich адаптировали технологию, применяемую в производстве синтетических композитных материалов. Графитовые хлопья покрывали наночастицами оксида железа, чувствительными к магнитному полю, а затем смешивали их с этиловым спиртом. На полученную взвесь уже намагниченных хлопьев воздействовали внешним полем интенсивностью 100 миллитесла (примерно как магнит бытового холодильника). Вращая такой магнит инженеры смогли ориентировать все пластинки графена параллельно друг-другу и вертикально, как книги на полке. Образующаяся формация сводит к минимуму длину пути диффузии ионов лития.
Изображения, полученные с помощью микроскопа, показали, что если магнитное поле не отключать в процессе высыхания суспензии, пластинки сохраняют новую ориентацию. Остающиеся в аноде наночастицы оксида железа не оказывают никакого воздействия на функции батареи.
В лабораторных условиях оптимизация анода позволила авторам добиться трехкратного роста емкости. В коммерческих батареях из-за их более сложной конструкции выигрыш должен быть скромнее, порядка 30-50%, но дальнейшие эксперименты могут улучшить этот предварительный прогноз. Интересно, что эта технология переносится и на другие конструкции батарей с анодом и катодом, включая натрий-ионные.
