Исследователи заняты разработкой твердотельных аккумуляторов с небольшим количеством жидкого электролита

Сегодня твёрдотельные аккумуляторы используются в малогабаритной электронике. Например, в смарт-часах. Потенциально такие аккумуляторные батареи могут быть более мощными и безопасными, чем современные литий-ионные аналоги. Поэтому они весьма перспективны для использования в электромобилях, а также накопителях энергии от солнечных и ветряных электростанций. Но для этого, как мы уже не раз писали в этой рубрике, сначала требуется решить ряд технических проблем с твердотельными батареями.

Твердотельные аккумуляторы вполне могут быть безопасными и имеют потенциал для более высокой энергетической плотности, говорит научный сотрудник Sandia, руководитель исследования, Алекс Бейтс. Более высокая энергетическая плотность обеспечивает больший запас хода между зарядками. Если речь идёт о хранилище энергии, то потребуется меньше аккумуляторов для его организации. Бейтс утверждает, что добавление жидкого электролита помогает преодолеть разрыв в плане коммерциализации без ущерба для безопасности.
 

Улучшение аккумуляторов благодаря усовершенствованию химии

Твёрдотельные аккумуляторы по ряду параметров похожи на обычные литий-ионные. Принцип действия одинаковый. Ионы лития перемещаются между разноименными электродами, благодаря чему обеспечивается электрический ток и осуществляется питание подключённого устройства. Основное отличие в том, что в жидком электролите ионы лития передвигаются быстрее. Однако, как говорит эксперт по безопасности аккумуляторов из Лаборатории тестирования аккумуляторов Sandia, Лорейн Торрес-Кастро, современные жидкие электролиты легко воспламеняются, из-за чего литий-ионные аккумуляторы являются пожароопасными.

Твердый электролит также способствует быстрому перемещению ионов лития, но здесь существует другая проблема. Ионам трудно перемещаться из твердого электролита к электродам и в обратном направлении. Одним из способов ускорения этого движения реализовали учёные в проведённом исследовании. Для этого они добавили небольшое количество жидкого электролита к положительному электроду аккумулятора.

Эксперт Sandia по надежности аккумуляторов в проекте, Юлия Прегер, сказала, что в сообществе исследователей твердотельных аккумуляторов было много споров о безопасности использования жидкого электролита. Есть мнение, что любое количество жидкого электролита будет небезопасным. Исследовательская группа провела свои исследования на этот счёт. Стив Харрис и Кэти Харрисон, участвующие в исследовании, поставили под сомнение устоявшееся мнение об опасности добавления жидкого электролита.

Насколько безопасны твердотельные аккумуляторы?

Чтобы выяснить насколько безопасным будет твёрдотельный аккумулятор с небольшим добавлением жидкого электролита, исследователи начали работу с расчёта количества тепла. Они рассчитали данную величину для литий-ионного, полностью твердотельного и твердотельного аккумулятора с разным объёмом жидкого электролита. Они обнаружили, что все протестированные аккумуляторы имели эквивалентное количество запасенной энергии.

После этого они рассмотрели три плохих сценария, которые могут случиться с аккумуляторными батареями. При этом они оценивали тепло, которое будет выделяться при отказе каждого из этих типов аккумуляторов. Они начали с определения того, сколько химической энергии содержится в трёх типах аккумуляторов, говорит Джон Хьюсон. В любом из этих типов батарей есть определённое количество энергии, которая высвободится и нагреет аккумулятор до определённой температуры.

Исследователи рассмотрели следующие сценарии.

• По словам Торрес-Кастро, самый плохой сценарий – это возгорание аккумулятора, либо от окружающей среды, либо от соседнего аккумулятора. В этом случае учёные обнаружили, что твердотельный аккумулятор с небольшим количеством жидкого электролита производит лишь одну пятую тепла от сопоставимой литий-ионной батареи. Полностью твердотельный аккумулятор при этом сценарии тепло не выделял.
• Второй сценарий заключался в том, что при многократном заряде-разряде формировались металлические «шипы» из лития, которые называются дендритами. Как говорит Прегер, такой дендрит может пробить отверстие в сепараторе, разделяющем положительный и отрицательный электрод. В результате произойдёт короткое замыкание. В этом случае три типа исследуемых аккумуляторов производили одинаковое количество тепла. Его объём зависел от того, сколько металлического лития содержалось в электрохимической системе.
• Третий плохой сценарий заключался в разрушении твердого электролита. Торрес-Кастро говорит, что такое возможно, если аккумулятор был проколот или раздавлен. Иногда такое может произойти из-за повышения давления во время работы. Тогда кислород вступает в реакцию с металлическим литием. В этих случаях твердотельный аккумулятор без жидкого электролита может достигать температуры, близкой к температуре литий-ионного аккумулятора. Это для исследовательской группы оказалось неожиданным результатом.

От расчетов безопасности к лабораторным экспериментам

Прегер отвечает, что одним из серьезных преимуществ твердотельных аккумуляторов является их высокая степень безопасности. Но если аккумулятор сломается, то повышение температуры происходит примерно настолько же, как при разрушении стандартных литий-ионных аккумуляторов с жидким электролитом. Поэтому на первый план выходит разработка такой конструкции сепаратора, чтобы он не выходил из строя при разрушении. Бейтс говорит, что следующими шагами этого исследования станет проведение аналогичных расчётов с другими материалами с твердым электролитом, а также проведение экспериментов для проверки новых и оригинальных расчётов.

Бейтс отмечает, что им удалось обнаружить следующий факт. Если в твёрдотельном аккумуляторе присутствует металлический литий, то он опасен вне зависимости от того есть в электрохимической системе жидкий электролит или нет. Исследование, по его мнению, показало, что существует определённый компромисс между производительностью и безопасностью. При добавлении небольшого объёма жидкого электролита он существенно повышает производительность при небольшом отрицательном влиянии на безопасность.

Понимание данного компромисса поможет ускорить коммерциализацию, сказал Торрес-Кастро. Небольшой объём жидкого электролита не создаст серьезных проблем с безопасностью, но поможет приблизить коммерческое производство твёрдотельных аккумуляторов. Жидкий электролит решает одну из главных проблем – поверхность раздела с твёрдым электролитом.

Исследование было проведено при поддержке управления по сохранению энергии Министерства энергетики США. Результаты и выводы учёные опубликовали тут.