Создан твердотельный аккумулятор с кремниевым анодом

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали аккумулятор нового типа. В нём используется твердотельный электролит и полностью кремниевый анод. Результаты первых испытаний показали, что аккумуляторная батарея долговечна, безопасна и имеет высокую энергоёмкость. Спектр применения в будущем довольно широкий. Он включает в себя энергосистемы и электромобили.

Кремниевые аноды обычно упоминаются в связи с высокой энергетической плотностью. Она в 10 раз превышает таковую у графитовых анодов, которые чаще всего применяются в современных литий-ионных аккумуляторов. Главной проблемой кремниевых анодов является то, что они сильно сжимаются и расширяются при разряде и заряде аккумулятора. Кроме того, они подвержены разложению от  взаимодействия с жидкими электролитами. Поэтому они до сих пор не нашли коммерческого применения. Опубликованная на днях работа калифорнийских специалистов открывает для этих аккумуляторов хорошие перспективы при правильном подборе электролита.

Как сказал ведущий автор исследования Даррен Х. С. Тан (Darren H. S. Tan), данная конфигурация аккумулятора открывает новую область твердотельных батарей, которая используют аноды из кремния. Учёный недавно стал соучредителем стартапа UNIGRID Battery, который получил лицензию на данную технологию. Кроме того, Даррен Х. С. Тан получил докторскую степень в сфере химического машиностроения в инженерной школе Джейкобс Калифорнийского университета в Сан-Диего.

В твердотельных аккумуляторах будущего поколения с высокой энергетической плотностью в качестве материала анода всегда использовался металлический литий. Это накладывает ограничение на скорость заряда аккумулятора и существует необходимость повышения температуры при зарядке (как правило, до 60 ^oC). Использование анода из кремния снимает эти ограничения. Такую аккумуляторную батарею можно заряжать при комнатной или низкой температуре с более высокой скоростью.

Команда ученых продемонстрировала готовый лабораторной элемент, который выдерживает 500 циклов заряда-разряда при комнатной температуре, после чего сохраняет 80% от первоначальной ёмкости. Это действительно серьезный прогресс, как в сфере твердотельных аккумуляторов, так и аккумуляторных систем с анодами из кремния.
 

Кремний для анода в качестве замены графита

Естественно, что анод из кремния не является революцией. Учёные всего мира уже десятки лет смотрят на кремний, как на очень энергоёмкий материал. Его рассматривали в качестве дополнения к графику в аноде или полностью замены на него. В теории кремний предлагает энергоёмкость в 10 раз больше, чем у графита. Однако на практике при добавлении кремния в анод с целью увеличения энергетической плотности начинаются проблемы со сроком службы и производительностью. Основная проблема здесь заключается во взаимодействии между кремнием и жидкими электролитами, которые используются в литий-ионных аккумуляторах. Помимо этого, ситуация усугубляется большим увеличением объёма частиц кремния при внедрении в них ионов лития. В результате это приводит к быстрой потере ёмкости при циклировании (заряд-разряд).

Одна из авторов исследования — профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ширли Мэн (Shirley Meng) отметила, что главной проблемой кремниевых анодов является нестабильность границы раздела жидкого электролита. Поэтому, по её словам, группа исследователей искала совершенно другой подход к созданию этой электрохимической системы. Они отказались от углерода и связующих, которые применялись совместно с кремниевыми анодами. Они использовали микрокремний, который требует меньше обработки и обходится дешевле, чем нанокремний.

Полностью твёрдотельная система

Кроме удаления углерода и связующих из анодного материала, специалисты также отказались от жидкого электролита. В лабораторном образце они использовали твердый электролит на базе сульфида. В ходе экспериментов они выяснили, что твёрдый электролит показывает высокую стабильность в аккумуляторах с анодами целиком из кремния. Мэн сказала, что проведённая работа открывает перспективное решение проблемы многих из кремния. Но она также добавляет, что нужно ещё  решить некоторые задачи до того, как появятся жизнеспособные коммерческие образцы.

Группа исследователей считают, что проведённая работа является подтверждением правильности их подхода к исследованию аккумуляторов. Они проделали тщательную теоретическую работу, а также экспериментальную часть с использованием нестандартного мышления и творческого подхода. Кроме того, учёные говорят, что готовы к взаимодействию с отраслевыми партнёрами (например, LG Energy Solution) в решение сложных фундаментальных задач.

Предыдущие  работы по коммерциализации анодов из кремния в основном были сосредоточены на сочетание наноструктурного кремния с полимерными связующими или применении кремний-графитовых композитных материалов. Но в тех случаях так и не удалось решить проблему стабильности электрохимической системы.

Замена жидкого электролита на твёрдый и удаление углерода со связующими из анода  позволило избежать ряда проблем, когда анод пропитывался жидким органическим электролитом во время эксплуатации. После его удаления был уменьшен межфазный контакт и нежелательные побочные реакции с твёрдым электролитом. Так была устранена постоянная потеря ёмкости, которая преследовала эти аккумуляторы при использовании жидких электролитов. Благодаря этим мерам, исследователи смогли в полной мере воспользоваться преимуществами высокой энергетической плотности, низкой стоимости и экологической безопасности кремния.
 

Перспективы

Даррен Х.С. Тан по итогам этой работы сказал, что твердотельный аккумулятор с кремниевым анодом позволяет преодолеть многие ограничения стандартных литий-ионных аккумуляторов. Это система открывает прекрасные возможности для удовлетворения требований рынка в отношении аккумуляторных батарей с более высокой энергетической плотностью, более безопасных и более доступных по цене. Особенно актуально это в сфере аккумуляторов для электромобилей и систем хранения энергии в сети.

До недавнего времени твёрдые электролиты на основе сульфидов считались крайне нестабильными. Но это мнение основывалось на стандартных термодинамических интерпретациях, которые используются в аккумуляторных системах с жидкими электролитами. При этом не учитывалась отличная кинетическая стабильность твердых электролитов. Исследователи из Калифорнийского университета увидели в этом возможность для создания анода с высокой стабильностью.

Даррен Х.С. Тан является соучредителем стартапа UNIGRID Battery, который получил лицензию на технологию получения кремниевых твердотельных аккумуляторов. Сейчас параллельно с этим исследованием в Калифорнийском университете в Сан-Диего ведётся соответствующая фундаментальная работа и дополнительные исследования совместно со специалистами компании LG Energy Solution.

Президент и главный директор по закупкам LG Energy Solution (LGES) Мён-хван Ким (Myung-hwan Kim) отметил, что их компания очень рада совместным исследованиям, проведённым со специалистами из Калифорнийского университета. По его мнению, попадание результатов в научный журнал, является признанием их важности. Ближе ко времени коммерческой реализации данной технологии LG Energy Solution сможет существенно расширить линейку предлагаемых аккумуляторов.

LGES, по словам Мён-хван Кима, продолжит свои усилия по развитию новейших перспективных технологий в сфере аккумуляторов следующего поколения. Компания планирует расширять сотрудничество с Калифорнийским университетом в сфере исследований твердотельных аккумуляторов. Проведённая исследовательская работа была поддержана открытой программой  южнокорейской компании. Она предназначена для поддержки исследований в сфере аккумуляторов. В соответствии с этой программой LGES работает с учёными по всему миру.