Вирусная батарейка - 6 Декабря 2010

В последнее время проблема хранения энергии всё чаще заставляет обращаться к новым подходам для создания необходимых материалов. Так, производство литий-ионных аккумуляторов нуждается в материалах с большой ёмкостью на единицу массы для создания компактных батарей длительного срока работы. К таким материалам относится кремний, теоретически рассчитанная ёмкость которого для Li_3.75Si составляет более 3500 мА·ч/г. Серьёзным препятствием для использования кремния является его огромное объёмное расширение после цикла зарядки-разрядки – до 300-400% от начального объёма. Плёнки из кремния и сферические частицы, способы получения которых уже хорошо изучены, здесь попросту не годятся – они попросту разрушатся после двух-трёх циклов зарядки-перезарядки. Выходом из ситуации является создание материала, состоящего из наноструктур (волокон), закреплённых на носителе. Тогда возникает вопрос: как можно изготовить подобный материал из кремния?

Для решения задач в материаловедении часто применяется использование биологических объектов. Если взять вирус цилиндрической формы в качестве «шаблона», прикрепить его к носителю, покрыть слоем металла и напылить сверху кремний, то будет получен искомый материал. Так, недавно в качестве «шаблона» был использован вирус табачной мозаики с модифицированной цистеином оболочкой. На первой стадии в раствор, содержащий модифицированный вирус, опускали стальной диск. За счёт цистеина в оболочке молекулы вируса прикреплялись на поверхности диска, причём преимущественно вертикально. Поверхность получившейся структуры активировали кластерами палладия, чтобы затем покрыть её никелем путём электролитического осаждения. Заключительным штрихом стало нанесение кремния физическим осаждением из пара.

На рисунках ниже можно увидеть, как выглядела поверхность вирусной структуры до и после осаждения кремния. Видно, что большинство «проволок» направлено почти вертикально. Рядом показана одна такая «проволока»: тёмная область – вирус, покрытый никелем, светлая – осаждённый кремний.

Испытания собранного на основе полученного анода литиевого аккумулятора показали отличные результаты. Аккумулятор продемонстрировал высокую начальную ёмкость (~3000 мА·ч/г), низкое падение ёмкости со временем и большое время жизни (до 300 циклов зарядки-разрядки). Так что кто знает, возможно аккумуляторы на основе таких анодов в недалёком будущем займут место во многих устройствах.

Оригинальная статья: Virus-Enabled Silicon Anode for Lithium-Ion Batteries, Xilin Chen et al, DOI:10.1021/nn100963j, подготовил Фролов Дмитрий

Рис. 1. Вот что схематически может происходить с кремнием при работе химического источника тока.

Рис. 2. Структура до осаждения кремния.

Рис. 2. Структура после осаждения кремния.

Рис. 3. Изображение «нанопроволоки», полученное с помощью просвечивающей микроскопии.