Подумайте об аккумуляторе, и, скорее всего, на ум придет термин «литий-ионный». Из-за своего легкого веса, высокой плотности энергии и способности выдавать в три раза больший ток, чем другие типы перезаряжаемых батарей, литий-ионные батареи (LIB) стали доминирующим типом батарей как в маломощных бытовых электронных устройствах, таких как мобильные телефоны и приложения с высокой мощностью, такие как электромобили и накопители энергии.

Любая типичная литий-ионная батарея сегодня состоит из положительного электрода (катода), состоящего из литийсодержащего соединения, отрицательного электрода (анода), состоящего из графита, и электролита — слоя между электродами, через который проходят ионы. Когда аккумулятор заряжается, ионы лития перетекают от катода к аноду, где они накапливаются. В процессе разряда литий ионизируется и возвращается к катоду.

В последнее время наблюдается растущий интерес к использованию кремния в качестве материала анода, поскольку он более распространен и, следовательно, дешев и имеет более высокую теоретическую разрядную емкость, чем графит. Однако у него есть ключевой недостаток: многократная зарядка и разрядка приводят к расширению и разрыву частиц кремния. Это приводит к образованию толстой границы твердого электролита (solid-electrolyte interface, SEI) между электролитом и анодом, что препятствует движению ионов лития между электродами.

Чтобы улучшить характеристики кремниевых анодов в LIB, группа под руководством профессора Нориёси Мацуми, в которую также входят доктор Агман Гупта и старший преподаватель Раджашекар Бадам из Японского передового института науки и технологий (JAIST), разработала связующее для кремния. Частицы, которые могут улучшить их стабильность и сохранить тонкий слой SEI. Теперь, в отличие от толстого слоя SEI, тонкий слой выгоден, потому что он предотвращает спонтанную реакцию анода и электролита друг с другом. Результаты исследования опубликованы в ACS Applied Energy Materials .

Связующее представляет собой полимерный композит, состоящий из проводящего полимера n-типа поли(бисиминоаценафтенхинона) (P-BIAN) и карбоксилатсодержащего полимера поли(акриловой кислоты) (PAA), каждый из которых связан с другим водородными связями. Композитная полимерная структура удерживает частицы кремния вместе, как сетка, и предотвращает их разрыв. Водородные связи между двумя полимерами позволяют структуре самовосстанавливаться, поскольку полимеры могут снова прикрепиться, если они оторвутся в любой момент. Кроме того, n-легирующая способность P-BIAN улучшает проводимость анода и поддерживает тонкий SEI, ограничивая электролитическое разложение электролита на аноде.

Чтобы протестировать связующее, исследователи сконструировали анодную полуячейку, состоящую из наночастиц кремния с графитом (Si/C), связующего (P-BIAN/PAA) и проводящей добавки ацетиленовой сажи (AB). Анод Si/C/(P-BIAN/PAA)/AB подвергали повторному циклу зарядки-разрядки. Было замечено, что связующее  стабилизирует кремниевый анод и поддерживает удельную разрядную емкость 2100 мАч/г в течение более 600 циклов. Напротив, емкость голого кремний-углеродного анода упала до 600 мАч/г за 90 циклов.

После испытания исследователи разобрали анод и проверили материал на наличие трещин, которые могли возникнуть в результате разрыва кремния. Спектроскопическое и микроскопическое исследование после 400 циклов выявило гладкую структуру только с несколькими микротрещинами, что указывает на то, что добавление связующего способно улучшить структурную целостность электрода и сохранить однородный SEI.

Результаты показывают, что добавление связующего может улучшить характеристики кремниевого анода и сделать его практически осуществимым. «Разработка и применение новых полимерных композитов, включающих проводящие полимеры n-типа (CP) и протонодонорные полимеры с водородными связями, такие как P-BIAN/PAA, открывают многообещающее будущее в электродных материалах с высокой емкостью», — говорит профессор Мацуми. .

По мере роста спроса на литий-ионные батареи кремний, который является восьмым по распространенности материалом на Земле, станет многообещающей экологически чистой альтернативой графиту. Улучшение его структурной стабильности и проводимости за счет использования связующих сделает его более подходящим для использования в будущих литий-ионных батареях. «Этот принцип конструкции композитного связующего обеспечит более широкое распространение электромобилей, создание других транспортных средств с батарейным питанием и дронов, что требует более высокой плотности энергии для повышения производительности», — говорит профессор Мацуми.