Твердотілий акумулятор від Toyota
Твердотельные аккумуляторы уже превосходят литий-ионные батареи буквально по всем показателям: скорости зарядки, вдвое большим запасом хода в электромобилях и стабильностью работы без риска теплового разгона. Однако они до сих пор не получили широкого коммерческого использования.
В новом широком обзоре исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде подробно анализируют перспективы и недостатки твердотельных аккумуляторов. Эти аккумуляторы работают по схожему принципу, что и Li-ion, перемещая ионы лития между катодом и анодом во время циклов зарядки-разрядки. Однако вместо использования жидкого электролита для переноса ионов используются твердые керамические, полимерные материалы, или химически стабильные соединения на основе сульфидов.
Это позволяет предотвратить риск воспламенения. Кроме этого твердые материалы позволяют использовать чистый литий в качестве анода — сверхтонкого слоя, который накапливает больше энергии на грамм по сравнению с графитовыми анодами. Благодаря этому аккумуляторы могут иметь значительно меньший вес, большую емкость и более долгий срок работы.
«Твердотельные аккумуляторы с каждым днем становятся все ближе к реальности. Наш обзор демонстрирует, насколько далеко продвинулась наука и какие шаги необходимо предпринять, чтобы эти аккумуляторы стали доступными для повседневного использования. Удаляя жидкость и используя вместо нее стабильные твердые материалы, мы можем безопасно передавать в аккумулятор больше электроэнергии одновременно, без риска перегрева или возгорания», — отмечает профессор машиностроения и соавтор исследования Ченгиз Озкан.
Современные Li-ion-аккумуляторы в основном имеют предельный срок работы около 1 тыс. циклов зарядки-разрядки. Между тем твердотельные аккумуляторы, как демонстрируют испытания, сохраняют более 90% емкости даже после 5 тыс. циклов.
Это позволяет твердотельным аккумуляторам эффективно работать в течение 15-20 лет, что вдвое превышает средний срок службы современных электромобилей. Скорость зарядки также является еще одним преимуществом твердотельных батарей. Новые модели способны заряжаться до 80% за какие-то 12 минут, а в отдельных случаях, зарядка вообще занимает до 3 минут. У Li-ion-аккумуляторов на это уходит от 30 минут до часа.
Каждый аккумулятор ограничен критической плотностью тока, определяющей, насколько быстро и безопасно устройство может проводить заряд. Сейчас твердотельные аккумуляторы имеют меньшую критическую плотность тока, чем Li-ion, из-за низкой ионной проводимости и межфазного сопротивления. Однако последние достижения сокращают это отставание.
В частности, твердые электролиты на основе сульфидов имеют ионную проводимость, близкую к показателям жидкостных электролитов, и обеспечивают более быстрый перенос ионов. Такие соединения, как Li₁₀GeP₂S₁₂ имеют проводимость до 12 миллисименс на сантиметр, что еще до недавнего времени считалось невозможным для твердых материалов.
К тому же твердотельные аккумуляторы не требуют громоздких систем охлаждения, поскольку работают при более низких и стабильных температурах. Благодаря этому они легче и имеют меньшие размеры, что важно для электромобилей и дальнейшего развития аэрокосмических аппаратов. Твердотельные аккумуляторы выдерживают экстремальные температуры и радиацию и могут оказаться перспективными для питания космических аппаратов и космических баз.
«Благодаря своей термической и химической стабильности эти аккумуляторы лучше подходят для работы в условиях экстремальных температур и радиации в открытом космосе. Они также способны хранить больше энергии в меньшем объеме, что является критически важным для миссий, где каждый кубический сантиметр имеет значение», — подчеркивает Ченгиз Озкан.
Некоторые конструкции твердотельных аккумуляторов сохраняют стабильность даже в условиях вакуума и экстремальных температур от -40°C до 120°C. В частности, одна из конструкций производства Hitachi Zosen выдержала испытания на прокалывание гвоздем и не вспыхнула, как это было бы в случае с Li-ion.
Одним из главных препятствий на пути разработки твердотельных батарей является необходимость понимания того, что происходит внутри этих аккумуляторов во время работы. Здесь на помощь исследователям приходят современные методы диагностики.
«Эти инструменты визуализации подобны МРТ для аккумуляторов. Они позволяют нам следить за жизненными показателями аккумулятора и принимать более обоснованные решения при его проектировании», — объясняет профессор Ченгиз Озкан.
Методы нейтронной визуализации, рентгеновской томографии и электронной микроскопии позволяют исследователям наблюдать за потоком ионов в режиме реального времени, смещением структур и деградацией материалов. Процессы деградации включают в себя образование дендритов — игольчатых литиевых структур на аноде, способных вызвать короткое замыкание и привести к воспламенению аккумулятора.
Хотя возникновение дендритов не так распространено в однослойных аккумуляторах, они все же возникают, особенно на границах зерен в твердом электролите. Между тем механизмы их образования более предсказуемы, что позволяет принимать действенные решения для предотвращения их образования.
Некоторые исследователи начали использовать процессы спекания для уплотнения зерен электролита и уменьшения количества образующихся дендритов. Другие ученые занимаются изучением процессов создания таких материалов, как трехмерные сотовые анодные структуры, изгибающиеся при расширении и сжатии, избегая таким образом растрескивания.
Однако коммерческое использование твердотельных аккумуляторов до сих пор сталкивается со значительными проблемами. Они все еще дорогие в изготовлении и сложные для масштабирования. Материалы должны быть исключительно чистыми и обрабатываться под давлением с защитой от влаги и кислорода.
В местах соединения твердых слоев до сих пор наблюдается снижение производительности. Плохие контакты и химические реакции между электролитом и электродом могут снижать проводимость и сокращать срок работы аккумулятора.
Для решения этих проблем ученые используют компьютерное моделирование и передовые технологии производства. Добавление дополнительных защитных слоев, легированных материалов и подбор условий спекания — это лишь несколько перспективных стратегий.
Кроме этого существует беспокойство относительно экологичности, поскольку некоторые твердые электролиты на основе сульфидов выделяют такие опасные газы, как сероводород, при нагревании. Хотя твердотельные аккумуляторы более перспективны для вторичной переработки по сравнению с Li-ion, для многих твердоэлектролитных составов до сих пор не разработаны экологически безопасные решения по переработке и вторичному использованию.
Крупные компании, как Toyota, Samsung, QuantumScape и Solid Power активно инвестируют в разработку твердотельных аккумуляторов. Представители китайской компании Qing Tao Energy заявляют, что уже производят твердотельные батареи мощностью 100 МВт/ч в год и расширяют производство до 10 ГВт/ч. Однако до их появления на рынке может потребоваться еще не один год.
Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде имеют целью ускорить процесс выхода твердотельных аккумуляторов на коммерческий рынок. Они представили план действий, направленный на оптимизацию структуры твердотельного электролита, совершенствование производственных процессов и лучшее понимание поведения материалов с помощью передовой диагностики.
«Традиционные литий-ионные аккумуляторы, хотя и революционные, приближаются к пределу своих возможностей и безопасности. SSB — это путь к удовлетворению растущих потребностей нашего электрифицированного будущего», — подчеркивает Ченгиз Озкан.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Energy
Источник: ZME Science
Контент сайту призначений для осіб віком від 21 року. Переглядаючи матеріали, ви підтверджуєте свою відповідність віковим обмеженням.
Cуб'єкт у сфері онлайн-медіа; ідентифікатор медіа - R40-06029.
