Учёным удалось увеличить срок службы литий-металлических аккумуляторов до рекордного значения
В сфере совершенствования литий-ионных аккумуляторов одной из основных целей исследовательских групп во всём мире является увеличение их энергоёмкости и срока службы. Для этого работы ведутся в самых разных направлениях. Недавно в журнале Nature Energy появилось сообщение о том, что группе исследователей удалось разработать многообещающую аккумуляторную батарею для электромобиля с рекордным сроком службы.
Фото: PNNL
Одним из наиболее перспективных направлений разработки следующего поколения аккумуляторных батареё для электромобилей являются литий-металлические аккумуляторы. Они способны хранить почти в два раза больше энергии, чем используемые сейчас литий-ионные аналоги. Кроме того, они легче. Это значит, что в электромобили можно будет вместить более энергоёмкий аккумулятор и значительно увеличить запас хода. Однако проблема литий-металлических аккумуляторов заключается в том, что их срок службы значительно меньше современных Li-Ion батарей.
Именно над проблемой малого срока службы литий-металлических аккумуляторов работала группа учёных из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) министерства энергетики США. Им удалось создать аккумулятор этого типа, который рассчитан на 600 циклов заряда и разряда.
Исследование является существенным шагом вперёд для получения коммерческих литий-металлических аккумуляторов. Однако на данный момент технология пока ещё не готова к широкому использованию. Ведь применяемые сейчас литий-ионные аккумуляторные батареи в электромобилях служат не менее 1000 циклов заряда и разряда. Даже при меньшем запасе хода Li-Ion пока имеют преимущество перед новой разработкой.
Исследования проводились инновационным центром DOE для консорциума Battery500. Последний представляет собой объединение нескольких организаций под руководством PNNL по разработке АКБ для электромобилей следующего поколения. PNNL возглавляет консорциум Battery500 и отвечает за внедрение последних разработок партнерских организаций в реальные устройства.
Какие выводы сделали исследователи в ходе проведённых работ?
Тонкий анод увеличивает срок службы литий-металлического аккумулятора
Специалистам PNNL удалось увеличить срок эксплуатации литий металлического аккумулятора, благодаря использованию оригинального подхода. Обычно применяются аноды с большим объемом лития, а исследователи применили тонкие полоски, ширина которых составляет 20 микрон. Это значительно тоньше волоса человека. Руководитель консорциума Battery500 Джун Лю (Jun Liu) и один из исследователей Цзе Сяо (Jie Xiao) написали в статье , что большое содержание лития необязательно приводит к более длительному сроку службы. Они считают, что для каждого литий-металлического аккумулятора есть оптимальная толщина в зависимости от типа конструкции и энергоёмкости элемента.
Энергетическая плотность полученного металлического аккумулятора составляет 350 Втч/кг. Это не рекордный, но очень высокий показатель. Однако, как уже говорилось, ценность нового исследования в том, что удалось получить срок службы значительно выше, чем это было ранее. Полученный образец после 600 циклов заряда и разряда сохранил 76% от первоначальной ёмкости.
Около 4 лет назад специалистом удавалось получить экспериментальные образцы литий-металлических аккумуляторов, которые работали всего 50 циклов. Два года назад PNNL удалось разработать аккумулятор с ресурсом 200 циклов заряда-разряда, а вот теперь 600. Важно также отметить компактные размеры нового аккумулятора. Аккумулятор был разработан герметичной упаковке из фольги.
Фото: PNNL
Почему важна толщина анода?
Решение использовать тонкие литиевые полоски было принято на основании молекулярной динамики анода, как пишут авторы в своей статье на Nature Energy. Им удалось обнаружить, что толщина полос анода оказывает прямое влияние на выход из строя аккумулятора. Объясняется это сложными реакциями, которые идут вокруг плёнки на аноде. Это плёнка известна, как межфазная составляющая твердого электролита (SEI). Она является побочным продуктом реакций, протекающих между электролитом и литиевым анодом. Плёнка действует в качестве определённого препятствия, которое позволяет некоторым молекулам переходить из электролита к аноду и обратно.
Процессы, определяемые SEI, оказывают серьезное воздействие на весь процесс. Эта плёнка пропускает только определённые ионы лития и ограничивает протекание нежелательных химических реакций, которые приводят к снижению срока службы и уменьшению мощности аккумуляторной батареи. Цель ученых состояла в том, чтобы максимально снизить нежелательные побочные реакции между металлическим литием и электролитом. При этом нужно было по максимуму стимулировать важные химические реакции.
Учёные PNNL обнаружили, что полоски лития малой толщины способствуют образованию подходящей плёнки SEI. В опубликованной статье можно встретить термины «влажный SEI» и «сухой SEI». «Влажный SEI» обеспечивает хороший контакт между материалом анода и электролитом, что обеспечивает важные электрохимические реакции. В случае «сухого SEI» электролит не достигает всего объёма лития. Из-за того, что полоски имеют большую толщину, электролит стекает в глубокие «карманы» в литии, а другие части остаются сухими. В результате снижается активность протекания важных реакций, подавляются необходимые электрохимические процессы. Это приводит к преждевременному выходу из строя аккумулятора.
Для использования в реальных аккумуляторных батареях этот вопрос очень важен. В них объём доступного для взаимодействия электролита примерно в 20─30 раз меньше, чем в экспериментальных образцах. Исследователи сравнивают процесс с образованием слоя жира на сковороде. Если не заниматься его очисткой после каждого использования, то со временем он накапливается и выступает в роли барьера для электрохимических процессов. В результате поверхность электрода становится менее эффективной в плане взаимодействия и протекания реакции. Здесь в роли «слоя жира на сковороде» выступает «сухой» SEI, препятствующий эффективной передаче энергии внутри аккумулятора.
Благодаря консорциуму Battery500, за последние несколько лет работы над литий-металлическими аккумуляторами был достигнут значительный прогресс. Постепенно увеличивается энергоёмкость и срок службы опытных образцов. Современные литий-ионные аккумуляторы для электромобилей имеют энергоёмкость 200─250 Втч/кг. В Battery500 ставят цель создания серийных коммерческих литий-металлических аккумуляторов с энергоёмкостью на уровне 500 Втч/кг.
Прогресс в этом направлении очевиден, но предстоит сделать еще много. В частности, пока ещё не решены проблемы с безопасностью при использовании литий-металлических аккумуляторов. Работы в этом направлении также ведутся специалистами консорциума Battery500.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
Статью кто написал, Вы головой ударились LiFePo4 аккумуляторы работают 4000 циклов! Они вразы превышают характеристики литийионных аккумов!