Ученые создали новое поколение материалов для литиевых источников тока с помощью углеродных нанотрубок, которые позволили на порядок повысить мощность батарей, что делает возможным их применение в ряде новых приложений, например таких, как двигатели электромобилей, сообщается в статье исследователей, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology в воскресенье.

В своей работе группа ученых под руководством профессора Яна Шао-Хорна (Yang Shao-Horn) из Массачусетского технологического института в США разработала новый принцип создания электродов для литиевых батарей, способных, благодаря свой структуре, быстро принимать и отдавать ионы лития, обеспечивая тем самым высокую мощность.

Любой литиевый аккумулятор состоит из трех наиболее важных элементов: двух электродов - анода, отдающего ионы лития в процессе разряда аккумулятора, катода, эти ионы принимающего, и литиевого электролита, пропускающего ток ионов между электродами и не проводящего ток электронов, направляемых во внешнюю электрическую цепь для питания электронных устройств.

Количество запасаемой энергии таким аккумулятором определяется количеством ионов лития, способных войти в структуру электродов, а мощность - скоростью, с которой в ходе работы батареи эти ионы могут покинуть анод, пройти через электролит и войти в катод. Несмотря на то, что учеными и инженерами уже достигнуты большие успехи в деле создания литиевых источников тока большой емкости, их небольшая мощность в значительной степени ограничивает применение таких батарей. Например, использовать такие батареи для питания двигателей автомобилей нельзя - такие автомобили будут обладать слишком низкой скоростью разгона.

Шао-Хорн показал, что значительно повысить мощность таких батарей можно с использованием углеродных нанотрубок. Для этих целей группа ученых модифицировала поверхность этих нанотрубок двумя различными типами химических функциональных групп - несущими на себе положительный и отрицательный заряд. Ученые показали, что в ходе последовательных процедур нанесения таких углеродных нанотрубок чередующимися слоями происходит самопроизвольное формирование углеродного материала, который может быть использован в качестве электрода в батареях. Такой электрод за счет специфической геометрии длинных и тонких нанотрубок обладает высокой емкостью по ионам лития и в то же самое время имеет высокую электропроводность, что способствует скорости реакции обмена ионами между электродом и электролитом.

Собрав на основе таких электродов литиевые батареи, где в качестве отрицательного электрода использовался металлический литий или оксидный материал LiTiO2, а в качестве положительного - новый углеродный электрод, ученые показали, что такие источники тока обладают мощностью в 10 раз превышающей мощность самых современных литиевых источников тока.

Авторы исследования показали, что стабильность работы таких электродов не снижается даже спустя несколько тысяч циклов перезарядки, однако нанесение дополнительных слоев нанотрубок в ходе производства электрода и увеличение толщины приводят к снижению скорости работы.

Теперь группа Шао-Хорна будет работать над увеличением емкости электродов на основе углеродных нанотрубок.