Учёные объявили о разработке нового материала катода для литий-ионных аккумуляторов

Группа исследователей из Georgia Tech под руководством Хайлонга Чена разработала недорогой Катод из нового материала. Он может существенно улучшить характеристики литий-ионных аккумуляторов. Особенно это касается их применения в электромобилях и крупномасштабных системах хранения энергии. Чен отметил, что в их руках дешёвая и надёжная альтернатива с существующим катодным материалам.

Впервые литий-ионные аккумуляторы представила компания Sony в начале 1990-х годов. Это стало революцией в сфере потребительской электроники, например, планшетов и смартфонов. По мере развития эта технология вошла и сферу производства электромобилей, которые весьма чувствительны к стоимости аккумуляторных батарей. На данный момент аккумулятор составляет примерно 50% общей стоимости электромобиля. Это делает электрический транспорт более дорогим, чем модели с двигателями внутреннего сгорания.

Поиски материалов для Li-Ion аккумуляторных систем

Если сравнивать со свинцово-кислотными и щелочными аккумуляторами, то литий-ионные хранят существенно больше энергии при меньших размерах. Однако в состав таких систем входят дорогие металлы, включая никель и кобальт. Они имеют высокую стоимость производства. В настоящее время есть четыре вида катодов для литий-ионных аккумуляторов, которые были успешны коммерциализированы. Чен считает, что их разработка станет пятым катодом в этом ряду. По его мнению, разработанный его группой материал, станет решением проблемы разработки полностью твердотельного Li-Ion аккумулятора.

Наиболее распространённые сейчас литий-ионные аккумуляторные батареи используют в своём составе жидкие электролиты. С их помощью осуществляется транспортировка ионов лития для хранения и высвобождения энергии. У электролитов есть жёсткие ограничения на тот объём энергии, который они могут хранить. Кроме того, они опасны тем, что могут воспламеняться и протекать. В этом плане более привлекательными выглядят твердотельные Li-Ion аккумуляторные батареи. Они имеют большую эффективность, надёжность и способны накапливать больше энергии. Сейчас этот тип аккумуляторов находится на стадии тестирования и разработки. Если удастся довести их до промышленных образцов, то это станет существенным рывком в сфере развития электрического транспорта.

Поэтому Чен со своей исследовательской группой предложил новую аккумуляторную систему. В ней Катод выполнен из FeCl₃, анод из металлического лития, а также присутствует твёрдый электролит. Стоимость данной системы составляет примерно 30-40% от современных коммерциализированных Li-Ion батарей. По мнению исследователей, их разработка позволит существенно удешевить электромобили и обеспечить новые возможности для крупномасштабного хранения энергии, что повысит устойчивость электрических сетей. Кроме того, новый материал позволит улучшить стабильность цепочки поставок на рынке электрического транспорта.

В чем суть новинки?

Чен заинтересовался новым катодным материалом в ходе исследований твёрдых электролитных материалов в своей лаборатории. Он занимается ими с 2019 года. Сотрудники лаборатории первоначально изготавливали твердотельные аккумуляторы с использованием твёрдых электролитов на базе хлорида со стандартными катодами на основе оксида, которые используются сейчас в коммерческой сфере. Но это дело двигалась не слишком хорошо. Электролитные материалы и катоды плохо сочетались друг с другом.

Поэтому учёные предположили, что лучшее сочетание с хлоридным электролитом обеспечит катод на основе хлорида. В этом случае, по их мнению, аккумулятор будет иметь лучшую производительность. Как говорит Чен, FeCl₃ имеет кристаллическую структуру, которая потенциально лучше всего подходит для хранения и транспортировки ионов лития. И работать в реальных условиях он стал также, как думали учёные.

Первоначальные испытания показали, что FeCl₃ работает также хорошо или даже лучше по сравнению с более дорогими катодными материалами. Аккумулятор с таким катодом имеет более высокое рабочее напряжение, чем популярные электрохимическая система LiFePO₄ (литий-железо-фосфат, или LFP). Предлагаемая технология может стать коммерческой жизни для использования в батареях не раньше, чем через несколько лет. Команда Чена продолжает изучать FeCl₃ и близкие по свойствам материалы. Исследователи хотят сделать новый катодный материал максимально совершенным в лабораторных условиях, а также понять основной механизм его функционирования.

Сейчас в большинстве современных литий-ионных аккумуляторах используются оксидные катоды. Для них требуется много дорогостоящих кобальта и никеля. Помимо того, что они дорогие, это ещё и тяжёлые элементы, которые могут быть токсичными и представлять угрозу для экологии.