Ультратонкий плетеный провод в сердцевине электрода увеличивает плотность энергии литий-ионных батарей, сообщает группа исследователей в журнале Angewandte Chemie International Edition. Подобные батареи могут быть встроены в функциональный текстиль и использоваться для питания смартфонов и других электронных устройств во время ношения. Новая плетеная структура токоприемника заменяет один непрерывный провод и улучшает транспорт ионов внутри электрода, увеличивая плотность заряда.
Литий-ионные батареи (LIB) повсеместно используются в различных устройствах — от смартфонов до электромобилей. Мы знаем их как состоящие из стопки электродов в громоздкой или цилиндрической конструкции. В новом варианте батареи стопка электродов уменьшена до размеров нити, состоящей из двух длинных электродных волокон, намотанных друг на друга. Будучи вплетенными в ткань, эти очень легкие волоконные батареи (FLIB) могут обеспечивать энергией носимую электронику. Волокнистые батареи были объявлены IUPAC одной из десяти лучших новых технологий в химии в 2022 году.
Однако существует проблема, которую необходимо решить, прежде чем использовать волоконные батареи для питания палаток, функциональной одежды и т.д. В частности, в длинных волокнах плотность энергии слишком мала, чтобы быть полезной. Хуишенг Пенг и группа исследователей из Фуданьского университета в Шанхае (Китай) обнаружили, что изменение конструкции токоприемника электрода может решить эту проблему.
Команда решила заменить токоприемник, который представляет собой непрерывную тонкую металлическую проволоку внутри графитового электрода, на оплетку из нескольких гораздо более тонких металлических нитей. Для изготовления оплетки они размотали несколько ультратонких металлических нитей с веретен и сплели их в центральную оплетку, которая затем была покрыта графитом по всему электроду.
Новый оплетенный токоприемник был таким же стабильным, как и непрерывный провод, но позволял увеличить плотность энергии за счет взаимодействия с графитом. Как объясняет команда, «разработанная структура оплетки приводит к заполнению каналов активными материалами, уменьшая препятствия для транспорта ионов лития и увеличивая способность загрузки активных материалов».
Увеличение плотности энергии также было продемонстрировано в ходе испытаний: был изготовлен тканый текстиль, содержащий 40 FLIB длиной один метр с оплетенными токоприемниками. Этот текстиль на основе FLIB смог зарядить смартфон с 30% до 57%, в то время как обычная конструкция FLIB с непрерывным токоприемником смогла достичь только 52%.
Такое увеличение эффективности было достигнуто за счет относительно простого изменения конструкции токоприемника. Это особенно важно для длинноволоконных батарей, которые должны быть прочными, стабильными и одновременно легкими.
