Безанодовая батарея может удвоить запас хода электромобилей
Схематическая иллюстрация и ячейка с реверсивным электролитом, с циклической эффективностью.
Может ли электромобиль проехать из Сеула в Пусан и обратно на одной зарядке? Могут ли водители перестать беспокоиться о работе аккумулятора даже зимой? Корейская исследовательская группа сделала важный шаг к решению этих вопросов, разработав литий-металлический аккумулятор без анодов, способный обеспечивать почти вдвое большой запас хода при использовании того же объёма аккумулятора.
Прорыв в плотности энергии батареи
Совместная исследовательская группа под руководством профессора Суджин Пак и доктора Дон-Ёба Хана из кафедры химии POSTECH, совместно с профессором Нам-Сун Чхве и доктором Сэхуном Ким из KAIST, а также профессором Тэ Кён Ли и исследователем Джунсу Соном из Национального университета Кёнсанга успешно достигла объемной плотности энергии 1270 Вт·ч/л в безанодовой литий-металлической батарее. Это значение почти вдвое превышает текущие литий-ионные аккумуляторы, используемые в электромобилях, которые обычно выдают около 650 Вт·ч/л. Статья опубликована в журнале Advanced Materials.
Безанодная литий-металлическая батарея полностью исключает обычный анод. Вместо этого ионы лития, хранящиеся в катоде, перемещаются во время зарядки и осаждаются непосредственно на медный токовый коллектор. Удаляя ненужные компоненты, можно выделить больше внутреннего пространства для хранения энергии, подобно тому, как в бак такого же размера помещается больше топлива.
Преодоление технических трудностей и рисков безопасности
Однако этот дизайн сопряжен с серьёзными трудностями. Если литий откладывается неравномерно, могут образоваться острые игольчатые структуры, известные как дендриты, что увеличивает риск коротких замыканий и потенциальную угрозу безопасности. Повторная зарядка и разрядка также могут повредить литиевую поверхность, быстро сокращая срок службы батареи.
Для решения этих проблем исследовательская группа приняла двойную стратегию, сочетающую "обратимый хозяин" (RH) и проектируемый электролит (DEL). "Обратимый хозяин" состоит из полимерного каркаса, встроенного равномерно распределёнными серебряными (Ag) наночастицами, направляющими литий к отложению в определённых местах, а не случайно. Проще говоря, он служит отдельной парковкой для лития, обеспечивая упорядоченный и равномерный отложенный отложение.
Разработанный электролит дополнительно повышает стабильность, формируя тонкий, но прочный защитный слой, состоящий из Li₂O и Li₃N на поверхности лития. Этот слой действует как бинт на коже, предотвращая вредный рост дендритов и одновременно сохраняя открытые пути для транспортировки ионов лития.
Результаты производительности и коммерческий потенциал
В сочетании система RH–DEL обеспечивала выдающиеся характеристики. При высокой площадной ёмкости (4,6 мАч см⁻²) и плотности тока (2,3 мА см⁻²) батарея сохраняла 81,9% своей начальной ёмкости после 100 циклов и достигла средней кулоновой эффективности 99,6%. Эти результаты позволили команде достичь рекордной плотности объемной энергии в 1270 Вт/л в безанодовых литий-металлических аккумуляторах.
Важно, что эта производительность была подтверждена не только в небольших лабораторных элементах, но и в пакетных батареях, которые ближе к реальным применениям электромобилей. Даже при минимальном содержании электролита (E/C = 2,5 г А⁻¹) и при низком давлении в трубе (20 кПа) аккумуляторы работали стабильно. Это демонстрирует значительный потенциал для снижения веса и объёма аккумуляторов, одновременно снижая производственную нагрузку, значительно повышая коммерческую жизнеспособность.
Профессор Пак прокомментировал: «Эта работа представляет собой значимый прорыв, одновременно решая вопросы эффективности и срока службы аккумуляторов без анодов.»
Профессор Ли добавил: «Наше исследование показывает, что конструкция электролитов на основе коммерчески доступных растворителей может обеспечивать как высокую подвижность литий-ионов, так и межфазную стабильность.»
