Японская компания TDK уже несколько лет работает над совершенствованием литиевых аккумуляторов с кремниевым анодом, и с лета текущего года собирается наладить выпуск третьего поколения таких батарей. Если первоначально использование кремниевых анодов обеспечивало увеличение плотности хранения заряда на 5 %, то теперь этот показатель вырос до 15 %.

Источник изображения: Unsplash, Tyler Lastovich

Подразделение Amperex Technology в Гонконге, являющееся одним из крупнейших производителей аккумуляторов для мобильных устройств, батареи такого типа начало выпускать ещё в 2023 году. Тогда они обеспечивали преимущество в плотности хранения заряда в размере 5 %, но теперь его удалось увеличить до 15 %. Это позволило китайской компании Vivo оснастить свой смартфон X200 Pro аккумулятором ёмкостью 6000 мА·ч без увеличения массы и размеров относительно моделей, комплектуемых аккумуляторами ёмкостью 5000 мА·ч.

Потенциал использования батарей с кремниевыми анодами также осознаётся компаниями LG Energy Solution и Samsung SDI, которые разрабатывают их с прицелом на применение в электромобилях. TDK и ATL получают кремниевые аноды от американской компании Group14 Technologies, которая имеет в числе инвесторов немецкую Porsche AG, и также считает рынок электромобилей своим стратегическим направлением развития. Кремниевые аноды в составе тяговых аккумуляторов электромобилей позволяют сократить время зарядки с сорока до пяти минут. TDK остаётся единственной компанией, способной массово производить аккумуляторы с кремниевыми анодами. Это таит определённые риски для её клиентов, а также мешает им активно переходить на использование данного вида батарей.

Кремний при производстве анодов тяговых батарей использовать дешевле, чем графит, но первый из материалов из-за своей склонности к линейному расширению при зарядке аккумулятора создаёт риск его разрушения в ходе эксплуатации. Калифорнийский стартап Coreshell предлагает решить проблему за счёт использования кремния металлургического класса, обеспечив рост ёмкости LFP-аккумуляторов без увеличения их стоимости.

Источник изображения: Unsplash, Priscilla Du Preez

Как отмечает TechCrunch, специалистам Coreshell пару лет назад удалось разработать покрытие для кремниевых анодов, которое сдерживает линейное расширение структур кремния при зарядке аккумуляторов, продлевая тем самым срок службы анодов. В сочетании с традиционным катодом на основе лития и фосфата железа (LFP) такие аноды позволяют создавать недорогие аккумуляторы с приемлемой плотностью хранения заряда, производство которых меньше зависит от минералов китайского происхождения. Для развития американской электромобильной промышленности это тоже весьма важный фактор, поскольку правительственная программа субсидирования продаж электромобилей отдаёт предпочтение транспортным средствам, чьи тяговые батареи используют меньше материалов из Китая.

Coreshell уже договорилась о поставке кремния металлургического класса с компанией Ferroglobe. Этот материал не так дорог, как кремний высокой степени очистки, а в удельном выражении для производства одной тяговой батареи его требуется меньше, чем графита для аккумулятора сопоставимой ёмкости. Всё это позволяет рассчитывать на снижение зависимости автомобильной промышленности США от импорта материалов из Китая, который контролирует три четверти мирового рынка графита.

Со следующего года Coreshell начнёт снабжать своими анодами производителей аккумуляторной мототехники, но со временем рассчитывает выйти и на рынок тяговых батарей для электромобилей, по крайней мере, к концу десятилетия. Первые образцы продукции Coreshell будут направлены клиентам в 2025 году.

Исследовательская группа Университета Тохоку разработала прототип металло-кальциевой (Ca) аккумуляторной батареи, способной выдержать 500 циклов заряда-разряда — это является эталонным показателем для практического использования. О прорыве было сообщено в журнале Advanced Science 19 мая 2023 года.

Источник изображения: pixabay

В связи с ростом использования электромобилей и крупномасштабных систем хранения энергии необходимость изучения альтернатив литийионным батареям как никогда высока. Одной из таких замен являются металлические батареи на основе кальция. Являясь пятым по распространённости элементом в земной коре, кальций широко доступен и недорог, а также имеет более высокий потенциал плотности энергии, чем литий. Также считается, что его свойства помогают ускорить перенос ионов и диффузию в электролитах и катодных материалах, что даёт ему преимущество перед другими альтернативами литийионным батареям, такими как магний и цинк.

Однако на пути коммерческой эксплуатации металло-кальциевых батарей остаётся много препятствий. Отсутствие эффективного электролита и катодных материалов с удовлетворительными условиями хранения элемента оказались основными камнями преткновения. Ещё в 2021 году члены нынешней исследовательской группы нашли решение первой проблемы, создав новый бесфторный электролит на основе кластера водорода (монокарборана). Электролит продемонстрировал заметно улучшенные электрохимические характеристики, такие как высокая проводимость и высокая электрохимическая стабильность.

Источник изображения: Kazuaki Kisu

«В рамках нашего текущего исследования мы протестировали длительную работу металлической батареи на основе кальция с катодом из наночастиц сульфида меди (CuS) и углеродного композита с электролитом на основе гидрида» — рассказал Казуаки Кису (Kazuaki Kisu), доцент Института исследования материалов (IMR) Университета Тохоку. Являясь природным минералом, CuS обладает благоприятными электрохимическими свойствами. Его слоистая структура позволяет ему хранить различные катионы, включая литий, натрий и магний. Его теоретическая ёмкость составляет 560 мА·ч на грамм — это в два-три раза больше, чем у существующих катодных материалов для литийионных батарей.

Благодаря наночастицам и композиту с углеродными материалами Кису и его коллегам удалось создать катод, способный накапливать большое количество ионов кальция. При использовании электролита гидридного типа они создали батарею с очень стабильными показателями циклической работы. Прототип батареи сохранит 92 % ёмкости после 500 циклов.

Группа уверена, что их открытие поможет продвинуть исследования в области катодных материалов для батарей на основе кальция.

Все ведущие автопроизводители в той или иной мере вовлечены в разработку твердотельных аккумуляторов, которые позволят сократить массу электромобилей, увеличить запас хода, ускорить процесс зарядки и повысить безопасность. Porsche считает возможным увеличение запаса хода электромобилей до 1300 км за счёт перехода на использование другого химического состава анодов у традиционных аккумуляторов с жидким электролитом, хотя и на твердотельные батареи делает определённую ставку.

Источник изображения: Porsche

В структуре автоконцерна Volkswagen марка Porsche является одним из локомотивов электрификации модельного ряда, поскольку в премиальном сегменте проще оправдывать сопутствующие этому процессу высокие расходы. По данным ресурса Carscoops, который ссылается на сотрудничающих с Porsche учёных и инженеров, замена графита на кремний в составе анодов тяговых аккумуляторов позволит увеличить плотность хранения энергии до десяти раз, а восполнить заряд с 5 до 80 % можно будет менее чем за 15 минут.

Правда, у таких анодов есть существенный недостаток в виде повышенной способности расширяться при абсорбции лития — это сокращает ресурс батарей. Специалистам компании приходится бороться с этим за счёт ограничения доли кремния в составе анода, сейчас её удалось довести до 80 %. Одновременно ведутся работы по повышению содержания никеля в катодах, что позволяет увеличить скорость зарядки и получаемую мощность.

Сочетая новый химический состав аккумуляторов и более плотную упаковку, поддерживаемые Porsche специалисты рассчитывают уже в ближайшие годы увеличить запас хода электромобилей до 1300 км. Дальнейший переход на твердотельные аккумуляторы позволит увеличить запас хода флагманских моделей электромобилей ещё на 30 или 50 %. Некоторого прогресса удастся добиться и на стороне зарядных станций. Их мощность планируется увеличить до 500 кВт, но для этого жидкостному охлаждению придётся подвергать даже зарядные разъёмы, не говоря уже о силовых кабелях.