Группа исследователей из Южной Кореи представила гибридный проводник для литий-металлических аккумуляторов с высокой плотностью энергии. Создание на его основе анодов аккумуляторов не только повысит их ёмкость, но также сделает их в несколько раз легче современных аналогов. Это способно переписать правила игры на рынке, считают изобретатели.

Источник изображения: Advanced Science

Как сообщили в своей статье в журнале Advanced Science учёные с химического факультета Похангского университета науки и технологий (POSTECH) и из Корейского института энергетических исследований (KIER), новая лёгкая трёхмерная структура анодного материала значительно облегчает транспортировку ионов лития.

Профессор Сучжин Пак (Soojin Park) из POSTECH, подчёркивая важность работы, заявил: «Это исследование открывает новые возможности для максимального увеличения плотности энергии литий-металлических аккумуляторов». Его коллега, доктор Гючжин Сон (Gyujin Song) из KIER добавил: «Эта структура, сочетающая в себе лёгкость с высокой плотностью энергии, представляет собой прорыв в технологии аккумуляторов будущего».

Не секрет, что литий-металлические аноды способны достигать энергоемкости 3860 мА·ч/г, что более чем в десять раз больше, чем у выпускаемых в настоящее время графитовых анодов. Это позволяет литий-металлическим анодам накапливать больше энергии в меньшем пространстве и, в отличие от графита или кремния, они могут непосредственно участвовать в электрохимических реакциях в качестве электродов.

Другое дело, что в процессе зарядки и разрядки таких аккумуляторов происходит неравномерное распределение ионов лития, что создаёт зоны, известные как «разряженный литий», а это снижает ёмкость и производительность аккумулятора. Кроме того, литий может нарастать в виде игл внутри батареи, что ведёт к коротким замыканиям. Во многом эти препятствия преодолимы, но до сих пор аноды создавались на базе относительно тяжёлых металлов, а это сильно снижало ёмкость по отношению к весу аккумуляторов.

Для решения этой проблемы корейские учёные разработали гибридную пористую структуру с использованием поливинилового спирта — лёгкого полимера с высокой транспортной способностью по отношению к ионам лития. В сочетании с полимером использованы одностенные углеродные нанотрубки и наноуглеродные сферы, что сделало материал чрезвычайно пористым. Предложенная структура оказалась более чем в пять раз легче анодов с использованием меди. Более того, она обеспечила высочайшую мобильность ионов лития и равномерное их распределение без «мёртвых зон».

В ходе экспериментов литий-металлические анодные батареи, включающие инновационную трёхмерную структуру, продемонстрировали высокую стабильность после более чем 200 циклов зарядки-разрядки и достигли высокой плотности энергии 344 Вт·ч/кг. Прототипы батарей были созданы в виде «мешочков» — типичного формфактора для набора тяговых автомобильных аккумуляторов, что тонко намекает на сферу потенциального использования разработки.

Исследователям Стэнфордского университета удалось установить, что литийметаллические аккумуляторы способны увеличивать свой срок службы, если их время от времени полностью разряжать и оставлять в таком состоянии. Одновременно после такой манипуляции повышается фактическая ёмкость аккумулятора, как показало исследование.

Источник изображения: Samsung SDI

По информации Electrek, такими выводами в своей статье в журнале Nature делится студент Стэнфордского университета Вэньбо Чжан (Wenbo Zhang), который занимается материаловедением и инженерными дисциплинами. Авторами исследования был найден простейший и доступнейший способ улучшения эксплуатационного ресурса литийметаллических аккумуляторов. Оставляя их в разряженном состоянии на какое-то время, можно добиться не только восстановления утраченной ёмкости, но и эксплуатационного ресурса батареи. Реализовать этот эффект можно исключительно за счёт программного обеспечения, управляющего процессом заряда аккумуляторов, а потому экономический эффект от внедрения этого новшества будет весьма высоким.

Как правило, литийметаллические аккумуляторы способны на 30 % превосходить литийионные по удельной ёмкости в пересчёте на массу, но при этом они уступают им в эксплуатационном ресурсе, поэтому применять их на том же электротранспорте достаточно проблематично. Американские исследователи выяснили, что нивелировать этот недостаток частично можно за счёт изменения алгоритма зарядки. Правда, пользователь при этом должен понимать, что эксплуатируемое им устройство или транспортное средство в какой-то момент захочет «отдохнуть» с разряженной батареей, чтобы частично восстановить её ресурс. Программное обеспечение должно выбирать удобный для человека период для проведения подобных технических мероприятий. Впрочем, ПО можно настроить таким образом, чтобы ячейки в составе батареи «тренировались» поочерёдно, без ущерба для общей доступной пользователю ёмкости.

В процессе эксплуатации аккумуляторов литийметаллического типа формируются отдельные частички лития, которые не возвращаются обратно в электролит при регулярных циклах зарядки и разрядки, тем самым сокращая ресурс анода. Учёным в ходе эксперимента удалось частично вернуть эти крохотные кусочки лития в состав анода, оставив аккумулятор в разряженном состоянии всего на один час. Этим способом можно восстанавливать не только рабочую ёмкость литийметаллических аккумуляторов, но и увеличивать срок их службы. Поскольку типовая тяговая батарея электромобиля содержит до 4000 аккумуляторных ячеек, программным способом их можно реабилитировать поочерёдно, не создавая особых неудобств при эксплуатации.