Fraunhofer повышает стабильность алюминиевых анодов для литий-ионных аккумуляторов

Институт производственной техники и автоматизации общества Фраунгофера (Fraunhofer IPA) совместно со Штутгартским университетом разработали новую технологию создания ячеек и электродов с использованием алюминиевых анодов. Она позволяет контролировать изменение объема материала в процессе зарядки и разрядки — проблему, которая ранее препятствовала практическому применению алюминия в качестве анодного материала для аккумуляторов.

Алюминий давно рассматривается как потенциальная замена графиту или кремнию в литий-ионных аккумуляторах. Этот материал относительно дешев, широко доступен и обладает высокой емкостью. Однако на практике его использование до сих пор было затруднено из-за механических нагрузок на электрод: в процессе зарядки и разрядки объем алюминия меняется, что приводит к образованию трещин, пор и, в конечном итоге, к разрушению (распылению) материала электрода. Следствием этого становятся потеря емкости и сокращение срока службы.

Институт Fraunhofer IPA в сотрудничестве с Институтом фотовольтаики Штутгартского университета разработал и запатентовал технологию производства ячеек и электродов, позволяющую нейтрализовать эти процессы деградации. По словам исследователей, предложенный метод стабилизирует материалы во время работы и поддерживает электрический контакт внутри электрода на протяжении множества циклов зарядки и разрядки.

«Мы делаем технологию аккумуляторов, известную уже давно, но ранее трудно поддававшуюся контролю, пригодной для практического применения», — отметил Кай Петер Бирке, научный руководитель направления аккумуляторных и водородных систем и накопителей энергии в Fraunhofer IPA, в пресс-релизе на немецком языке.

Данный подход полностью исключает использование графита и кремния в составе анода. Это не только снижает потребность в графите — критически важном сырье для европейской аккумуляторной промышленности, — но и устраняет проблемы, связанные со значительным изменением объема в анодах с высоким содержанием кремния. Еще одно отличие заключается в структуре электрода: в качестве исходного материала используется доступная в продаже легированная алюминиевая фольга, которая выполняет одновременно роль активного материала и токосъемника. Благодаря этому отпадает необходимость в медной фольге, обычно применяемой в традиционных анодах.

Кроме того, исключается отдельный этап нанесения активного материала на токосъемник. Ожидается, что это позволит снизить как производственные затраты, так и энергопотребление при изготовлении электродов. Исследователи предлагают использовать оксид лития-марганца (LMO) в качестве материала для катода. В сочетании с алюминиевым анодом такая система может обеспечить конкурентоспособную плотность энергии. Кроме того, в составе такой электрохимической ячейки отсутствуют фосфаты, что делает её экономически выгодной альтернативой литий-железо-фосфатным аккумуляторам.

Алюминиевый анод также можно использовать в паре с электролитами, имеющими высокую температуру вспышки. По заявлению специалистов общества Фраунгофера (Fraunhofer), применение катода на основе LMO, не содержащего фтора, позволяет создать аккумулятор, полностью свободный от фторсодержащих соединений (включая ПФАС — пер- и полифторалкильные вещества). Это исключает риск образования фтороводорода в случае возгорания батареи.

По мнению экспертов общества Фраунгофера, такие аккумуляторы найдут применение прежде всего там, где критически важны безопасность, надежность и компактность. К числу таких областей относятся, в частности, авиаперевозки, системы отслеживания транспортных контейнеров и специализированное медицинское оборудование.

Важным преимуществом для будущего промышленного внедрения является то, что производство таких ячеек можно организовать на уже существующих мощностях — полная перестройка производственной инфраструктуры не потребуется. В настоящее время в Центре цифровизированного производства аккумуляторных ячеек при Институте производственной техники и автоматизации им. Фраунгофера (Fraunhofer IPA) уже проходят испытания нескольких созданных прототипов. Впрочем, в текущем сообщении институт пока не приводит конкретных данных о количестве циклов заряда-разряда, а также о гравиметрической или объемной плотности энергии.

Параллельно общество Фраунгофера работает над другими методами совершенствования аккумуляторных ячеек — как на уровне материалов, так и на уровне архитектуры. В сентябре Институт систем солнечной энергетики им. Фраунгофера (Fraunhofer ISE) представил архитектуру ячейки с существенно более толстыми электродами. За счет уменьшения доли токосъемников плотность энергии можно увеличить на 10–15 % (в зависимости от типа и конструкции аккумулятора). Данный подход пока находится на стадии исследований, и его еще предстоит адаптировать для промышленного масштабирования.