Дослідники з Массачусетського технологічного інституту, США і університету Цінхуа, Китай, знайшли спосіб потроїти ємність анодів, електродів, що притягують негативно заряджені іони у літій-іонних акумуляторних батареях. Крім збільшення ємності пропонований метод може забезпечити збільшення терміну життя батарей, більш швидкий час їх заряду і розряду. Новий електрод, у якому використані алюміній-титанові наночастинки, досить простий у виробництві та його застосування має величезний потенціал, особливо в системах акумулювання енергії великої потужності.Літій-іонні акумулятори, що використовуються в наших смартфонах, планшетах і ноутбуках, зберігають і несуть енергію іони в районі позитивно зарядженого електрода, зробленого, зазвичай, з графіту. У теорії, в якості матеріалу електрода можуть бути використані й інші матеріали, які забезпечать кращі параметри батарей, велику ємність, велику щільність зберігання енергії і т. п. Але кожний альтернативний варіант має і свої власні недоліки. Іонний електрод може зберігати в 10 разів більшу кількість енергії, ніж графіт, але літій є схильним до займання матеріалом, кремній і олово також можуть виграти у графіту по ряду параметрів, але тільки за умови занадто повільного заряду і розряду, що абсолютно непрактично.Багато з альтернативних матеріалів мають тенденцію чутливо змінювати свій об’єм. Виникають деформації призводять до появи механічних напруг, які, протягом тривалого часу, пошкоджують контакти електродів, зменшують ємність акумулятора і взагалі можуть стати причиною пошкодження його корпусу.Група дослідників, про яку йшлося на самому початку, знайшла шлях вирішення більшості проблем існуючих акумуляторів. А ключовим моментом цього рішення стали наночастинки з твердою зовнішньою оболонкою з титану і внутрішнім алюмінієвим «жовтком», який може вільно розширюватися і стискатися всередині титанової «шкаралупи» в певних межах. Це дозволяє внутрішній алюмінієвої наночастинці зберігати і вивільняти іони, а титанова оболонка охороняє структуру електрода від ушкоджень, що призводить до збільшення ємності і терміну служби батареї.Алюміній є відносно дешевим матеріалом, який, подібно літію і кремнію, що дозволяє зберігати більше енергії, ніж графіт. Однак, він не розглядався в якості матеріалу для літій-іонних акумуляторів з-за того, що алюмінієві частки із-за постійних циклів розширення-стиснення поступово втрачають зовнішні шари. «Упаковка» алюмінієвих частинок в раковину з діоксиду титану або чистого титану запобігає втраті матеріалу і дозволяє використовувати алюміній в якості основного матеріалу електрода акумуляторної батареї.Для виробництва складних наночастинок дослідники взяли алюмінієві наночастинки, діаметром близько 50 нанометрів, і помістили їх у розчин, що містить сірчану кислоту і оксисульфат титану. В результаті відбувшихся там хімічних реакцій кожна наночастинок отримала тверду оболонку , товщиною від трьох до чотирьох нанометрів. Після перебування в кислоті протягом кількох годин розміри алюмінієвих наночастинок зменшилися до 30 нанометрів, що дало їм достатньо вільного простору всередині оболонки для того, щоб залучені іони літію, розширилися, але при цьому не зачепити і не пошкодили структуру електроду батареї.Проводячи тестування електродів нового типу, вчені з’ясували, що зовнішні оболонки наночастинок стали трохи товщі після 500 циклів інтенсивної заряду-розряду. Алюмінієві наночастинки при цьому практично не втратили маси і не були пошкоджені. В той час, як стандартний графітовий електрод забезпечує ємність 0.35 ампер-години на грам, новий електрод зміг забезпечити в три рази більшу ємність, 1.2 ампер-години на грам. Після проведення інтенсивних випробувань, за шість хвилин на кожну повну зарядку і розрядку, ємність нового електрода стала складати 0.66 ампер-години на грам, що в два рази краще показників електродів з інших альтернативних матеріалів.Низька вартість алюмінію, поряд із простим і масштабованим процесом виробництва наночастинок, можуть забезпечити досить гарне майбутнє цієї технології. А дослідники до цього часу вже створили дослідні зразки повних осередків акумуляторних батарей, у яких другий електрод був виготовлений із фосфату заліза. У недалекому майбутньому ця технологія буде готова вийти зі стін лабораторії і ввійти в реальний світ, ставши основою нових акумуляторних батарей, що мають високу ємність, меншу масу і габарити, здатні заряджатися за короткий час і мають більш довгий термін служби.