Если заменить графитовый электрод кремниевым, то емкость самых распространенных на сегодняшний день литий-ионных аккумуляторов повысилась бы вдесятеро, а значит, планшеты и смартфоны смогли бы без перезарядки работать в течение как минимум недели. Однако низкая стабильность кремниевых электродов не позволяет это сделать по сей день. Вследствие разбухания или же по каким-то еще другим, не выясненным еще разработчиками причинам они теряют способность держать накопленное ранее электричество после трех-четырех десятков перезарядок: кремний всякий раз покрывается трещинами и в итоге окончательно разрушается.
Сотрудники Pacific Northwest National Laboratory предприняли очередную попытку преодолеть ограничения перспективного материала и решили поэкспериментировать с электродами, которые изготовлены из мельчайших кремниевых сфер (диаметр их соствлял приблизительно 150 нм). Данная структура обеспечивает полноценную зарядку за довольно короткий промежуток времени, но растрескивание замедляется лишь частично. Было обнаружено, что можно значительно улучшить стабильность электрода, если покрыть кремниевые наночастицы слоем глицерола алюминия (или алюкона), который имеет резиноподобную консистенцию. Кремниевые наносферы в своем естественном виде держались максимум 30 циклов перезарядки, а вот с новым покрытием их хватило на 150 циклов.
Чтобы уяснить, как именно действует механизм покрытия, применялось уникальное оборудование, дающее возможность наблюдать, как ведут себя частицы при разрядке и зарядке. С его помощью установлено, что оксидная оболочка наночастиц, не имеющих покрытия, препятствует расширению и значительно ограничивает способность лития к поглощению при зарядке. Благодаря алюконовому слою сферы приобретают эластичность, облегчая процессы сжатия и расширения.
На микрофотографиях было отчетливо показано, что алюкон замещает твердый оксид, что предотвращает растрескивание кремния при изменениях объема. «Это было удивительно. Обычно оксид удалить очень непросто, и для этого, как правило, применяется кислота. А вот метод молекулярного осаждения меняет защитный слой полностью», — рассказали исследователи.
Кроме этого, покрытие резиноподобной консистенции не позволяет наночастицам слипаться при зарядке, благодаря чему они поглощают литий на всей своей поверхности.