Содержание
Аккумуляторы нового поколения создаются в Европе
В новом гигантском НПО Battery Industrialization Centre в британском г. Ковентри. Jason Alden / Bloomberg
Аккумуляторные батареи используются повсюду − в наших телефонах, ноутбуках и автомобилях, но недорогими и высокопроизводительными источниками энергии будущего они до сих пор не стали. Целый ряд европейских и швейцарских научно-производственных инициатив пытается сейчас нащупать пути к инновационному прорыву в этой перспективной области.
Этот контент был опубликован 17 сентября 2021 года — 07:00
Редактор русскоязычной версии Надежда Капоне.
«Благодаря применению аккумуляторов можно сократить на 30% углеродные выбросы в транспортном и энергетическом секторах, обеспечить электричеством дополнительно 600 млн человек, а также создать по всему миру 10 млн долговременных и экологически устойчивых рабочих мест», — сказано в недавно опубликованном ежегодном докладе Всемирного экономического форума в Давосе, штаб-квартира которого расположена в местечке Колоньи в пригороде Женевы.
Пока доминирующую роль на рынке батарей и аккумуляторов играет Азия, причем более 90% их производства приходится на Китай, Ю. Корею и Японию.
Но Европа намерена уже в скором времени сократить свое отставание. Европейский союз, уступая требования местных гигантов автомобилестроения, намерен скоро запустить массовое производство аккумуляторных батарей и ячеек (модульных элементов перезаряжаемых батарей), с тем чтобы положить конец технологической зависимости от зарубежных производителей. «В настоящее время мы просто пытаемся наверстать упущенное, но основная идея ЕС заключается в том, чтобы создать собственную производственно-инновационную базу для разработок в сфере производства аккумуляторов».
Об этом мы беседуем с Корсин Баттальей (Corsin BattagliaВнешняя ссылка), экспертом Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EmpaВнешняя ссылка). Швейцария не входит в Евросоюз, но принимает активное участие в европейских научных проектах по разработке аккумуляторов нового поколения.
Четыре года назад с целью наращивания производственных мощностей и развития научно-исследовательского потенциала в данной сфере по инициативе Еврокомиссии был создан Европейский аккумуляторный альянс (European Battery Alliance).
Показать больше
По данным НКО Transport & Environment, в рамках этой инициативы по всей Европе запланировано построить почти 40 заводов по производству батарей, так называемых «гигафабрик». Если все они в самом деле заработают, то к 2025 году старый свет сможет обеспечить себе долю мирового рынка аккумуляторов в 20%, что в годовом выражении составит торгово-промышленный оборот на ровне в 250 млрд евро или 270 млрд швейцарских франков. Одним из первых полностью европейских предприятий по производству экологически чистых аккумуляторов станет гигафабрика Northvolt EttВнешняя ссылка на севере Швеции в городе Шеллефтео.
Площадь огромного завода по производству литий-ионных батарей достигает 500 000 квадратных метров или 70 футбольных полей.
Фабрика Northvolt заявляет, что сможет выпускать батареи в количестве, необходимом для производства одного миллиона электромобилей в год. В настоящее время создание гигафабрик в Швейцарии не планируется, но страна и ее огромный научный потенциал тесно связаны с европейскими усилиями по разработке модели аккумулятора будущего.
Огромный завод по производству литий-ионных аккумуляторов Northvolt Ett на севере Швеции будет занимать площадь более 500 000 квадратных метров или 70 футбольных полей. William Steel (Northvolt)
«Идет ли речь о сырье и материалах, о сборке аккумуляторных ячеек в единую батарею, о системах менеджмента, о переработке, утилизации или о системах хранения энергии − в Швейцарии есть большое число компаний, активно работающих в области производства аккумуляторов, а некоторые даже являются мировыми лидерами этой отрасли», — говорит Корсин Батталья.
Самовосстанавливающиеся батареи
На протяжении последних десятков лет доминирующей технологией хранения электроэнергии были литий-ионные батареи, и ожидается, что спрос на них вырастет в течение следующего десятилетия в десять раз.
За последние 30 лет стоимость литиевых батарей упала почти на 100%, но наука в направлении совершенствования таких батарей практически никак не продвинулась. Для удовлетворения будущего спроса на такие аккумуляторы нам потребуются альтернативные технологии, обеспечивающие повышенные сроки службы их элементов и повышение общей емкости данных батарей.
Именно этим и занимается European Battery 2030+, европейская инициатива в области исследований и разработок аккумуляторных батарей с общим бюджетом в 40 млн евро. Инициатива был запущена в прошлом 2020 году, в нее входят семь крупных исследовательских проектов, реализуемых при поддержке девяти европейских стран, включая Швейцарию. Один из проектов называется HIDDEN, и он ставит перед собой задачу увеличить средний срок службы литий-ионных аккумуляторов и их удельную энергоемкость по меньшей мере на 50%.
Корсин Батталья (справа) и исследователь Мари-Клод Бэй из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий (Empa), активно участвующей в европейских исследованиях параметров аккумуляторных батарей.
Empa
«Реальную проблему для долговечности литий-металлических батарей представляет постепенный рост внутри них так называемых дендритов, крошечных жестких древовидных структур. Их игольчатые выступы называются усы, — объясняет Аксель Фюрст (Axel FuerstВнешняя ссылка), руководитель проекта HIDDEN при Бернской высшей школе прикладных наук (Berner FachhochschuleВнешняя ссылка). — Металлический литий имеет очень высокую энергетическую плотность и поэтому его можно использовать для производства все более легких и энергоемких батарей. Но дендриты растут очень быстро, из-за чего срок жизни таких аккумуляторов в среднем невелик», — говорит он.
Чтобы решить эту проблему, его группа занимается изучением процесса самовосстановления батареи. Они надеются, что специально разработанные термотропные (то есть образующиеся в результате нагревания твёрдого вещества и существующие в определённом интервале температур и давлений) жидкокристаллические ионные электролиты вместе с добавками и пьезоэлектрическим сепаратором, создающим электрическое поле, смогут остановить процесс роста коварных дендритов.
Первую концептуальную модель такого аккумулятора тут надеются представить к 2023 году в надежде, что потом она получит широкое распространение и будет востребована на рынке.
Меньше редких металлов
Тем временем Корсин Батталья и его коллеги из Empa координируют европейский исследовательский проект SENSE, целью которого является создание так называемого литий-ионного аккумулятора «поколения 3b» с композитным анодом из кремния и графита и монокристаллическим катодом NMC, содержащим соединения никеля, марганца и кобальта. Целью исследования является повышение удельной энергоемкости батареи, что позволит увеличить дальность пробега транспортных средств, усовершенствовать технологии быстрой зарядки аккумуляторов и сократить объемы использования редких металлов.
«Мы хотим сократить содержание кобальта и повысить содержание никеля», — говорит исследователь из Empa. Кобальт — один из самых дорогих материалов в батарее. Производители стараются сократить его использование, так как его поставки могут в будущем быть связанными со значительными политическими и социальными издержками и рисками.
Напомним, что около 70% мировых объемов кобальта поступает на рынок из ДР Конго, а там работа шахтеров сопряжена с опасностью и вредными условиями труда. Основные же мощности по обогащению кобальтовой руды расположены в Китае. «Создание идеальной батареи — задача не из легких, зачастую требующая компромиссного подхода, от чего-то приходится отказываться, чтобы получить на выходе желаемый инженерный результат», — объясняет Корсин Батталья.
Дело в том, что никель, обычно добавляемый в состав батареи, увеличивает мощность аккумулятора и он относительно дешев, но при этом никель приводит к быстрому износу батареи. Ученые в Швейцарии поэтому проводят сейчас эксперименты, добавляя в графитовый анод кремний. Этот материал представляет собой особый интерес для исследователей, поскольку он способен сохранять примерно в 10 раз больше энергии, чем графит. Но во время циклов заряда и разряда кремний подвержен расширению, что ведет к разрушению структуры анода и быстрой потере производительности.
Эксперты Empa также занимаются сейчас разработкой новых датчиков быстрой зарядки для установки их на литий-ионные батареи, с тем чтобы аккумуляторы можно было заряжать быстрее и эффективнее. «Чтобы ускорить процесс зарядки нам нужно получить данные о локальной температуре и ресурсе аккумуляторной батареи, а также быстрее делать замеры внутри её ячеистых элементов», — говорит К. Батталья.
Твердотельные аккумуляторы
Еще одним претендентом на звание аккумулятора будущего является твердотельный аккумулятор с твердым электролитом, которым уже сейчас можно заменять вместо легковоспламеняющихся жидкие электролиты, используемые в обычных литий-ионных аккумуляторах. Такие батареи считаются более экономичными, безопасными, они требуют меньше сырья для их производства. Новейшие прототипы позволяют предположить, что твердотельные батареи смогут в будущем хранить на 80% больше энергии, чем нынешние литий-ионные аккумуляторы того же веса и объема.
Монтаж аккумулятрной батареи на фабрике Leclanche в городе Ивердон-ле-Бен на западе Швейцарии, май 2020 года.
Компания Leclanche SA является ведущим мировым поставщиком высококачественных накопителей энергии на основе литий-ионных технологий. Keystone / Laurent Gillieron
Корсин Батталья говорит, что такие прорывные технологии сулят нам множество преимуществ, но воспользоваться ими в полном объеме пока не получается, соответствующие разработки пока не готовы покинуть пределы исследовательских лабораторий. По его словам, разработать твердотельную батарею с большой емкостью и длительным сроком службы оказалось не так-то просто. «Сделать такой аккумулятор с удвоенной энергоемкостью не проблема, но, скорее всего, после 20 циклов перезарядки такая батарея выйдет из строя», — объясняет он. Остается обычная батарея. Ее энергоемкость можно удвоить, заменив графит металлическим литием, но слишком быстрая зарядка батареи с большим содержанием лития приводит опять же к образованию дендритов, которые срок службы батареи резко сокращают.
Хотя батареи можно увеличить вдвое, заменив графит (материал анода литий-ионной батареи) на металлический литий, но слишком быстрая зарядка литий-металлической батареи вызовет образование дендритов, сокращающих срок ее службы.
А ведь сумей твердотельные литиевые батареи решить все свои проблемы, с их помощью технологии, лежащие в основе мобильных источников энергии, смогли бы сделать огромный шаг вперед в плане и энергоемкости, и долговечности. В рамках проекта SOLIDIFY, направленного на разработку производственных процессов для так называемых аккумуляторов «поколения 4b», твердотельных аккумуляторов, которые могут быть готовы к выходу на рынок через десять лет, швейцарская структура Empa уже плотно сотрудничает с десятком своих европейских партнеров.
Эффективные системы хранения энергии
В ближайшие десятилетия значительный рост степени востребованности также ожидает стационарные системы хранения энергии. Литий-ионные аккумуляторы и батареи с монокристаллическим катодом NMC, содержащим соединения никеля, марганца и кобальта, уже используются для хранения солнечной и ветровой энергии, получаемой в условиях домашних хозяйств. Ученые сейчас занимаются поиском альтернатив таким литий-ионным батареям, пытаясь усовершенствовать, например цинковые, натрий-ионные и ванадиевые аккумуляторы, которые, как оказалось, хорошо подходят для стационарного хранения энергии.
Однако для того, чтобы удовлетворить растущий спрос на такие хранилища и обеспечить их ценовую конкурентоспособность, необходимо еще приложить значительные усилия. Швейцарское ведомство Empa является одним из двенадцати партнеров, которые как раз и занимаются активизацией таких усилий в рамках европейского аккумуляторного проекта SOLSTICE, в котором также участвуют швейцарские фирмы FZSONICK и Quantis. Их цель заключается в разработке никель-солевых термальных аккумуляторных батарей на основе жидких натрия и цинка, которые работают только при высоких температурах и которые можно использовать для стационарного хранения энергии.
По словам К. Баттальи, по мере быстрого увеличения в ближайшие десятилетия спроса на стационарные накопительные системы и в связи с ростом числа электромобилей на дорогах спрос на инновационные аккумуляторы также будет возрастать, а это значит, что многие швейцарские фирмы, помимо уже имеющихся игроков, также смогут получить свою долю прибыли. «Ко мне часто обращаются швейцарские компании, которые не связаны напрямую с аккумуляторной отраслью, но, имея за плечами знания и опыт в сфере производства и интеграции (разных производственных процессов в единую систему), они все чаще рассматривают эту отрасль в качестве направления на рынке, перспективного и для них тоже».
Сотрудничество компаний Lonza и Natron Energy
Еще один крупный проект в области технологий хранения энергии реализуется сейчас в Швейцарии в рамках сотрудничества между биохимической компанией Lonza, расположенной в кантоне Вале, и американской компанией Natron Energy. В апреле 2021 года они объявили о достижении стратегического соглашения с целью поставки порошка берлинской лазури (синий пигмент/железисто-синеродистая соль окиси железа), необходимого для производства натриево-ионных аккумуляторов.
Один из бизнесов компании Lonza, компания Lonza Specialty Ingredients, будет производить порошок берлинской лазури для Natron Energy на своем предприятии в городе Фисп (Visp, кантон Вале). С конца следующего 2022 года этот пигмент будут использовать на производстве аккумуляторных электродов на новом предприятии этой компании, рассчитанном на примерно 100 сотрудников и расположенном недалеко от г. Сьон. Оттуда электроды швейцарского производства будут экспортироваться в США для использования в накопителях энергии от компании Natron.
В соответствии со стандартами JTI
Показать больше: Сертификат по нормам JTI для портала SWI swissinfo.ch
Показать больше
Аккумуляторы нового поколения для электромобилей. Новости: 18 January 2022
1390
2
0
13:03 18 January 2022
2022-01-18
16 December 2022
В Подмосковье установлены 64 быстрые зарядные станции для электротранспорта15 December 2022
Росатом запустил в Москве серийное производство литий-ионных аккумуляторов15 December 2022
Первый в России сервис такси, где работают только электромобили13 December 2022
Systeme Electric анонсировала выпуск собственной линейки ИБП9 December 2022
Bloomberg: цены на батареи для электромобилей выросли впервые за десятилетие7 December 2022
Швейцария готовится запретить поездки на электромобилях для экономии электричества7 December 2022
Электромобили устарели, переходим на солнечное топливо6 December 2022
«Русклимат» начал производство зарядных станций28 November 2022
Оборудование SKAT включено в реестр отечественной продукции Минпромторга России28 November 2022
Представлен логотип российского электромобиля «Атом»
Несмотря на рост парка электромобилей и развитие инфраструктуры пунктов для подзарядки, все же остается проблемой длительность зарядки аккумуляторов.
По времени это практически 5–9 часов и больше, в зависимости от максимальной пропускной мощности. Поэтому, многие компании нацелены на усовершенствование существующих батарей и разработку аккумуляторов нового поколения.
Израильский стартап StoreDot получил $80 млн от вьетнамского концерна VinFast и представил дорожную карту по коммерциализации своей технологии. Компания разрабатывает элементы питания нового поколения — аккумуляторы с поддержкой быстрой зарядки, которые обещают пополнение емкости от 0% до 100% всего за 5 минут. У стартапа уже есть прототип автомобильной батареи, которая стабильно заряжается за 10 минут, теперь инженеры хотят сократить это время вдвое.
Технология eXtreme Fast Charge (XFC) предполагает новый подход к борьбе с главным недостатком электрокаров — необходимостью долгой ежедневной зарядки. Вместо того, чтобы увеличивать емкость батарей и оптимизировать их энергоэффективность, StoreDot создает новые химические соединения и конструкции для реализации сверхбыстрой зарядки.
Конкретные спецификации стартап держит в тайне, но утверждает, что в целом его система аналогична классическим литий-ионным батареям.
Схожесть с традиционными аккумуляторами, утверждают разработчики, дает сразу несколько преимуществ. В первую очередь это означает, что батареи StoreDot могут производиться массово на обычных предприятиях, а также подойдут для установки в существующие электромобили и электронику. Кроме того, StoreDot не нуждается в особенных материалах, а значит с поставщиками из горнодобывающей промышленности также не должно быть проблем.
Что касается отличий от традиционных батарей, то в StoreDot применяют анод на основе кремния — вместо анода из графита. В дополнение стартап полагается на наноразмерные частицы, которые покрывают активные материалы аккумуляторов и «разгоняют» их.
Компания также сообщила, что разработала трехмерные органические полимеры, которые могут самовосстанавливаться внутри батареи по мере того, как она проходит длительные циклы перезарядки.
Сейчас StoreDot ведет несколько партнерских проектов в сотрудничестве с Daimler, материнской компанией Mercedes, Samsung, TDK и EVE Energy. По словам разработчиков, уже существующие прототипы батареи стабильно заряжаются от 0% до 100% всего за 10 минут, но конечная цель стартапа ускорить зарядку аккумуляторов еще в два раза.
За счет инвестиций от вьетнамского автопроизводителя VinFast, а также поддержки со стороны BP и Golden Energy Global Investment, StoreDot планирует создать еще несколько полигонов для испытаний аккумуляторов нового поколения, найти потенциальных клиентов и ускорить коммерциализацию своей технологии. Сейчас серийный выпуск батарей с поддержкой XFC назначен на конец 2024 года.
Видео по теме:
источник: Nikolay Kitaev
Три аккумуляторные технологии, которые могут обеспечить энергией будущее | Saft
Миру нужно больше энергии, желательно в чистой и возобновляемой форме.
Наши стратегии хранения энергии в настоящее время формируются за счет литий-ионных аккумуляторов, являющихся передовыми технологиями, но на что мы можем рассчитывать в ближайшие годы?
Начнем с основных сведений об аккумуляторах. Батарея представляет собой набор из одного или нескольких элементов, каждый из которых имеет положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод), сепаратор и электролит. Использование для них различных химикатов и материалов влияет на свойства батареи — сколько энергии она может хранить и выдавать, сколько энергии она может обеспечить или сколько раз ее можно разряжать и перезаряжать (также называемая циклической емкостью).
Аккумуляторные компании постоянно экспериментируют, чтобы найти более дешевые, плотные, легкие и более мощные химические вещества. Мы поговорили с Патриком Бернардом, директором по исследованиям Saft, который рассказал о трех новых аккумуляторных технологиях с трансформационным потенциалом.
ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Что это?
В литий-ионных (литий-ионных) аккумуляторах накопление и высвобождение энергии обеспечивается перемещением ионов лития от положительного электрода к отрицательному туда и обратно через электролит.
В этой технологии положительный электрод действует как первоначальный источник лития, а отрицательный электрод — как носитель лития. Несколько химических элементов собраны под названием литий-ионных аккумуляторов в результате десятилетий отбора и оптимизации, близких к совершенству положительных и отрицательных активных материалов. Литированные оксиды металлов или фосфаты являются наиболее распространенным материалом, используемым в качестве материалов для положительных положительных результатов. Графит, а также графит/кремний или литированные оксиды титана используются в качестве негативных материалов.
Ожидается, что в ближайшие годы литий-ионная технология достигнет предела энергопотребления при использовании реальных материалов и конструкций элементов. Тем не менее, недавние открытия новых семейств прорывных активных материалов должны разблокировать нынешние ограничения. Эти инновационные соединения могут хранить больше лития в положительных и отрицательных электродах и впервые позволят объединить энергию и мощность.
Кроме того, с этими новыми соединениями также учитываются дефицит и критичность сырья.
Каковы его преимущества?
Сегодня среди всех современных технологий хранения данных технология литий-ионных аккумуляторов обеспечивает самый высокий уровень плотности энергии. Такие характеристики, как быстрая зарядка или рабочий температурный диапазон (от -50°C до 125°C), могут быть точно настроены за счет большого выбора конструкций элементов и химических составов. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы обладают дополнительными преимуществами, такими как очень низкий саморазряд и очень долгий срок службы, а также цикличность, обычно тысячи циклов зарядки/разрядки.
Когда можно ожидать?
Ожидается, что новое поколение передовых литий-ионных аккумуляторов будет развернуто до первого поколения твердотельных аккумуляторов. Они идеально подходят для использования в таких приложениях, как системы хранения энергии для возобновляемых источников энергии и транспорта (морского, железнодорожного, авиационного и внедорожного), где необходимы высокая энергия, высокая мощность и безопасность.
АККУМУЛЯТОРЫ ЛИТИЙ-СЕРНЫЕ
Что это такое?
В литий-ионных батареях ионы лития накапливаются в активных материалах, действующих как стабильные структуры-хозяева во время заряда и разряда. В литий-серных (Li-S) батареях нет структур-хозяев. При разрядке литиевый анод расходуется, а сера превращается в различные химические соединения; при зарядке происходит обратный процесс.
Каковы его преимущества?
В Li-S аккумуляторе используются очень легкие активные материалы: сера в положительном электроде и металлический литий в качестве отрицательного электрода. Вот почему его теоретическая плотность энергии чрезвычайно высока: в четыре раза больше, чем у литий-иона. Это делает его подходящим для авиационной и космической промышленности.
Компания Saft выбрала и одобрила наиболее многообещающую технологию Li-S на основе твердотельного электролита. Этот технический путь обеспечивает очень высокую плотность энергии, длительный срок службы и устраняет основные недостатки жидкого Li-S (ограниченный срок службы, высокий саморазряд и т.
д.).
Кроме того, эта технология дополняет твердотельные литий-ионные благодаря превосходной гравиметрической плотности энергии (на кону +30% в Втч/кг).
Когда ждать?
Основные технологические барьеры уже преодолены, и уровень зрелости очень быстро приближается к полномасштабным прототипам.
Ожидается, что эта технология появится на рынке сразу после полупроводниковых литий-ионных аккумуляторов для приложений, требующих длительного времени автономной работы.
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ БАТАРЕИ
Что это?
Твердотельные батареи представляют собой смену парадигмы с точки зрения технологии. В современных литий-ионных батареях ионы перемещаются от одного электрода к другому через жидкий электролит (это также называется ионной проводимостью). В полностью твердотельных батареях жидкий электролит заменен твердым соединением, которое, тем не менее, позволяет ионам лития мигрировать внутри него.
Эта концепция далеко не нова, но за последние 10 лет — благодаря интенсивным исследованиям во всем мире — были открыты новые семейства твердых электролитов с очень высокой ионной проводимостью, аналогичной жидкому электролиту, что позволило преодолеть этот особый технологический барьер.
Сегодня усилия компании Saft Research & Development сосредоточены на двух основных типах материалов: полимерах и неорганических соединениях с целью синергии физико-химических свойств, таких как технологичность, стабильность, проводимость…
Каковы его преимущества?
Первым огромным преимуществом является заметное повышение безопасности на уровне элемента и батареи: твердые электролиты негорючи при нагревании, в отличие от их жидких аналогов. Во-вторых, он позволяет использовать инновационные высоковольтные материалы с высокой емкостью, что позволяет создавать более плотные и легкие батареи с более длительным сроком хранения в результате снижения саморазряда. Более того, на системном уровне это принесет дополнительные преимущества, такие как упрощенная механика, а также управление температурой и безопасностью.
Поскольку аккумуляторы могут иметь высокое отношение мощности к весу, они идеально подходят для использования в электромобилях.
Когда ждать?
Несколько видов полностью твердотельных батарей, вероятно, появятся на рынке по мере развития технического прогресса. Первыми будут твердотельные батареи с анодами на основе графита, обеспечивающие улучшенные энергетические характеристики и безопасность. Со временем более легкие технологии твердотельных батарей с использованием металлического литиевого анода должны стать коммерчески доступными.
Аккумуляторные решения нового поколения | Stanford News
Новое исследование, проведенное учеными Стэнфордского университета, открывает путь к созданию более совершенных и безопасных литий-металлических аккумуляторов.
В новом исследовании представлены возможные решения проблемы, которая, как известно, вызывает деградацию и выход из строя литий-металлических аккумуляторов. (Изображение предоставлено alengo/iStock)
Близкие родственники перезаряжаемых литий-ионных элементов, широко используемых в портативной электронике и электромобилях, литий-металлические батареи имеют огромные перспективы в качестве накопителей энергии следующего поколения.
По сравнению с литий-ионными устройствами, литий-металлические батареи содержат больше энергии, быстрее заряжаются и значительно меньше весят.
Однако на сегодняшний день коммерческое использование перезаряжаемых литий-металлических батарей ограничено. Основная причина — образование «дендритов» — тонких металлических древовидных структур, которые растут по мере накопления металлического лития на электродах внутри батареи. Эти дендриты снижают производительность батареи и в конечном итоге приводят к отказу, который в некоторых случаях может даже привести к опасному возгоранию.
Новое исследование подошло к проблеме дендритов с теоретической точки зрения. Как описано в статье, опубликованной в Journal of The Electrochemical Society Исследователи из Стэнфорда разработали математическую модель, объединяющую физику и химию, связанные с формированием дендритов.
Эта модель позволила понять, что замена новых электролитов — среды, через которую ионы лития перемещаются между двумя электродами внутри батареи — с определенными свойствами может замедлить или даже полностью остановить рост дендритов.
«Цель нашего исследования — помочь в разработке литий-металлических аккумуляторов с более длительным сроком службы», — сказал ведущий автор исследования Вейю Ли, аспирант в области энергетики, консультируемой профессорами Даниэлем Тартаковским и Хамди Челепи. «Наша математическая структура учитывает ключевые химические и физические процессы в литий-металлических батареях в соответствующем масштабе».
«Это исследование предоставляет некоторые конкретные сведения об условиях, при которых могут образовываться дендриты, а также о возможных путях подавления их роста», — сказал соавтор исследования Челепи, профессор инженерии энергетических ресурсов в Стэнфордской школе Земли. Энергетика и науки об окружающей среде (Стэнфордская Земля).
Направление проектирования
Экспериментаторы уже давно пытаются понять факторы, приводящие к образованию дендритов, но лабораторная работа трудоемка, а результаты трудно интерпретировать. Признавая эту проблему, исследователи разработали математическое представление внутренних электрических полей батарей и транспорта ионов лития через материал электролита, наряду с другими соответствующими механизмами.
Имея на руках результаты исследования, экспериментаторы могут сосредоточиться на физически правдоподобных сочетаниях материалов и архитектуры. «Мы надеемся, что другие исследователи смогут использовать это руководство из нашего исследования для разработки устройств, обладающих нужными свойствами и уменьшающих диапазон экспериментальных вариаций методом проб и ошибок, которые им приходится выполнять в лаборатории», — сказал Челепи.
В частности, новые стратегии проектирования электролитов, предложенные в исследовании, включают поиск материалов, которые являются анизотропными, что означает, что они проявляют разные свойства в разных направлениях. Классическим примером анизотропного материала является древесина, которая прочнее в направлении волокон, видимых в виде линий на древесине, а не против волокон. В случае анизотропных электролитов эти материалы могут регулировать сложное взаимодействие между переносом ионов и межфазной химией, препятствуя накоплению, которое приводит к образованию дендритов.
Исследователи предполагают, что некоторые жидкие кристаллы и гели обладают этими желаемыми характеристиками.
Другой подход, выявленный в ходе исследования, основан на сепараторах батарей — мембранах, которые предотвращают соприкосновение электродов на противоположных концах батареи и короткое замыкание. Могут быть разработаны новые типы сепараторов, которые имеют поры, которые заставляют ионы лития проходить вперед и назад через электролит анизотропным образом.
Сборка и тестирование
Команда с нетерпением ждет, когда другие ученые расследуют «зацепки», выявленные в их исследовании. Эти следующие шаги будут включать производство реальных устройств, основанных на новых экспериментальных составах электролитов и архитектуре аккумуляторов, а затем тестирование того, что может оказаться эффективным, масштабируемым и экономичным.
«Огромное количество исследований проводится в области проектирования материалов и экспериментальной проверки сложных аккумуляторных систем, и в целом математические основы, подобные той, которую возглавил Вейю, в этих усилиях в значительной степени отсутствуют», — сказал соавтор Тартаковский, профессор энергетики.