Nanotechnologia znajduje coraz więcej praktycznych zastosowań, które mogą zrewolucjonizować nasze codzienne życie. Dzięki wykorzystaniu krzemowych nanodrutów będziemy mogli wreszcie udoskonalić akumulatory litowo-jonowe, jednocześnie przyśpieszając ich cykl ładowania.Zwykłe akumulatory litowo-jonowe działają dzięki poruszaniu się jonów litu pomiędzy anodą i katodą w mieszanie soli litowych rozpuszczonych w organicznych rozpuszczalnikach. Jony zgromadzone są w anodzie, zagnieżdżonej pomiędzy warstwami materiału anodowego – porowatego węgla, najczęściej grafitu. W momencie rozładowania przechodzą do katody.

Zaletą wykorzystania grafitowej anody jest niewielka zmiana objętości, jaka zachodzi po wpłynięciu do niej jonów litu. Pomiędzy elektrodami zachodzi bowiem szybki ruch cząsteczek i stabilność struktury grafitu pozwala na dłuższe utrzymanie akumulatora przy życiu.

Badacze długo poszukiwali alternatywnych materiałów. Ich wybór padł na znany wszystkim półmetal – krzem. Jednak trudno wykorzystać krzem do takich celów, bowiem podczas wprowadzania do niego jonów litu zbyt szybko zwiększa swoją objętość, pęka i traci pojemność.

Teraz fizykom z Uniwersytetu Stanfordzkiego udało się przełamać te problemy. Zbudowana przez nich nanoforma krzemu łączy wszystkie zalety dotychczasowych grafitowych akumulatorów Li-Ion z możliwościami krzemu. W opublikowanym na łamach specjalistycznego periodyku Nano Letters artykule przedstawiają oni proces, dzięki któremu stworzyli krzemowe nanodruty o strukturze izolowanego kabla. Centralne, środkowe włókno ma budowę krystaliczną, podczas gdy powłoka jest nieuporządkowana, amorficzna.

Zajmujący się fizyką ciała stałego uczony Yi Cui powiedział: “Krystaliczne i amorficzne komponenty mają zróżnicowane własności, które czynią uzyskane włókna doskonałym materiałem na anody akumulatorów”. Jego zespół jest przekonany, że amorficzna powłoka może być wykorzystana do gromadzenia jonów, podczas gdy rdzeń zapewni mechaniczne wsparcie i będzie dobrym przewodnikiem dla elektronów.

Oczywiście krystaliczny krzem też może gromadzić jony litu bez większych problemów, jednak podczas wielu cykli ładowania lepiej spisuje się jego amorficzna odmiana. Poza tym reaguje on z litem przy wyższym napięciu – dlatego stanowi wygodną metodę przechowywania jonów. Jeśli napięcie jest utrzymywane na odpowiednio wysokim poziomie, to jony litu nie mogą dostać się do rdzenia.

Cui i jego koledzy odkryli, że amorficzny krzem podczas ładowania w niewielkim stopniu powiększa swoją objętość, jednak nie jest to dla niego groźne. Co więcej, uzyskane nanodruty mają bardzo wysoką pojemność elektryczną, ponad trzykrotnie większą niż węgiel. Utrzymują ją na poziomie 90%, nawet po stu cyklach ładowania-rozładowania. Warto także podkreślić, że ich cykl ładowania to zaledwie siedem minut.

Chyba nie trzeba mówić, co to oznaczać będzie dla urządzeń przenośnych – silne procesory i duże kolorowe wyświetlacze wymagają wiele energii, do tego stopnia że wiele urządzeń trzeba praktycznie codziennie ładować. Wynalazek Yi Cui w praktyce może trzykrotnie wydłużyć czas ich funkcjonowania na akumulatorach.