Твердотілий акумулятор від Toyota
Твердотілі акумулятори вже перевершують літій-іонні батареї буквально за всіма показниками: швидкістю заряджання, вдвічі більшим запасом ходу в електромобілях та стабільністю роботи без ризику теплового розгону. Однак вони досі не отримали широкого комерційного використання.
У новому широкому огляді дослідники з Каліфорнійського університету в Ріверсайді докладно аналізують перспективи та недоліки твердотілих акумуляторів. Ці акумулятори працюють за схожим принципом, що й Li-ion, переміщуючи іони літію між катодом та анодом під час циклів зарядки-розрядки. Однак замість використання рідкого електроліту для переносу іонів використовуються тверді керамічні, полімерні матеріали, або хімічно стабільні сполуки на основі сульфідів.
Це дозволяє запобігати ризику спалахування. Окрім цього тверді матеріали дозволяють використовувати чистий літій у якості аноду — надтонкого шару, який накопичує більше енергії на грам порівняно з графітовими анодами. Завдяки цьому акумулятори можуть мати значно меншу вагу, більшу ємність та довший термін роботи.
“Твердотілі акумулятори з кожним днем стають все ближчими до реальності. Наш огляд демонструє, наскільки далеко просунулась наука і які кроки необхідно зробити, щоб ці акумулятори стали доступними для повсякденного використання. Видаляючи рідину та використовуючи замість неї стабільні тверді матеріали, ми можемо безпечно передавати в акумулятор більше електроенергії одночасно, без ризику перегріву або займання”, — зазначає професор машинобудування та співавтор дослідження Ченгіз Озкан.
Сучасні Li-ion-акумулятори переважно мають граничний термін роботи близько 1 тис. циклів зарядки-розрядки. Між тим твердотілі акумулятори, як демонструють випробування, зберігають понад 90% ємності навіть після 5 тис. циклів.
Це дозволяє твердотілим акумуляторам ефективно працювати упродовж 15-20 років, що вдвічі перевищує середній термін служби сучасних електромобілів. Швидкість заряджання також є ще однією перевагою твердотілих батарей. Нові моделі здатні заряджатись до 80% за якісь 12 хвилин, а у окремих випадках, зарядка взагалі займає до 3 хвилин. У Li-ion-акумуляторів на це йде від 30 хвилин до години.
Кожен акумулятор обмежений критичною щільністю струму, яка визначає, наскільки швидко і безпечно пристрій може проводити заряд. Наразі твердотілі акумулятори мають меншу критичну щільність струму, ніж Li-ion, через низьку іонну провідність та міжфазний опір. Однак останні досягнення скорочують це відставання.
Зокрема, тверді електроліти на основі сульфідів мають іонну провідність, яка близька до показників рідинних електролітів, і забезпечує більш швидкий перенос іонів. Такі сполуки, як Li₁₀GeP₂S₁₂ мають провідність до 12 мілісіменс на сантиметр, що ще донедавна вважалось неможливим для твердих матеріалів.
До того ж твердотілі акумулятори не потребують громіздких систем охолодження, оскільки працюють за нижчих і стабільніших температур. Завдяки цьому вони легші і мають менші розміри, що важливо для електромобілів та подальшого розвитку аерокосмічних апаратів. Твердотілі акумулятори витримують екстремальні температури та радіацію і можуть виявитись перспективними для живлення космічних апаратів та космічних баз.
«Завдяки своїй термічній та хімічній стабільності ці акумулятори краще підходять для роботи в умовах екстремальних температур та радіації у відкритому космосі. Вони також здатні зберігати більше енергії в меншому обсязі, що є критично важливим для місій, де кожен кубічний сантиметр має значення», — підкреслює Ченгіз Озкан.
Деякі конструкції твердотілих акумуляторів зберігають стабільність навіть за умов вакууму та екстремальних температур від −40°C до 120°C. Зокрема, одна з конструкцій виробництва Hitachi Zosen витримала випробування на проколювання цвяхом і не спалахнула, як це було б у випадку з Li-ion.
Однією з головних перешкод на шляху розробки твердотілих батарей є необхідність розуміння того, що відбувається всередині цих акумуляторів під час роботи. Тут на допомогу дослідникам приходять сучасні методи діагностики.
“Ці інструменти візуалізації подібні до МРТ для акумуляторів. Вони дозволяють нам стежити за життєвими показниками акумулятора та приймати більш обґрунтовані рішення під час його проєктування”, — пояснює професор Ченгіз Озкан.
Методи нейтронної візуалізації, рентгенівської томографії та електронної мікроскопії дозволяють дослідникам спостерігати за потоком іонів в режимі реального часу, зміщенням структур та деградацією матеріалів. Процеси деградації включають в себе утворення дендритів — голчастих літієвих структур на аноді, здатних викликати коротке замикання і призвести до спалахування акумулятора.
Хоча виникнення дендритів не таке поширене в одношарових акумуляторах, вони все ж виникають, особливо на кордонах зерен в твердому електроліті. Між тим механізми їхнього утворення більш передбачувані, що дає змогу приймати дієві рішення для запобігання їхньому утворенню.
Деякі дослідники почали використовувати процеси спікання для ущільнення зерен електроліту та зменшення кількості утворюваних дендритів. Інші науковці займаються вивченням процесів створення таких матеріалів, як тривимірні стільникові анодні структури, що вигинаються під час розширення і стискання, уникаючи таким чином розтріскування.
Однак комерційне використання твердотілих акумуляторів досі стикається із значними проблемами. Вони все ще дорогі у виготовленні і складні для масштабування. Матеріали мають бути виключно чистими і оброблятись під тиском із захистом від вологи та кисню.
У місцях з’єднання твердих шарів досі спостерігається зниження продуктивності. Погані контакти і хімічні реакції між електролітом та електродом можуть знижувати провідність і скорочувати термін роботи акумулятора.
Для вирішення цих проблем науковці використовують комп’ютерне моделювання та передові технології виробництва. Додавання додаткових захисних шарів, легованих матеріалів та підбір умов спікання — це лише кілька перспективних стратегій.
Окрім цього існує занепокоєння щодо екологічності, оскільки деякі тверді електроліти на основі сульфідів виділяють такі небезпечні гази, як сірководень, під час нагрівання. Хоча твердотілі акумулятори більш перспективні для вторинної переробки порівняно з Li-ion, для багатьох твердоелектролітних складів досі не розроблені екологічно безпечні рішення щодо переробки і вторинного використання.
Великі компанії, як Toyota, Samsung, QuantumScape и Solid Power активно інвестують у розробку твердотілих акумуляторів. Представники китайської компанії Qing Tao Energy заявляють, що вже виробляють твердотілі батареї потужністю 100 МВт/год на рік і розширюють виробництво до 10 ГВт/год. Однак до їхньої появи на ринку може знадобитись ще не один рік.
Дослідники з Каліфорнійського університету в Ріверсайді мають на меті прискорити процес виходу твердотілих акумуляторів на комерційний ринок. Вони представили план дій, спрямований на оптимізацію структури твердотілого електроліту, вдосконалення виробничих процесів та краще розуміння поведінки матеріалів за допомогою передової діагностики.
«Традиційні літій-іонні акумулятори, хоч і революційні, наближаються до межі своїх можливостей та безпеки. SSB — це шлях до задоволення зростаючих потреб нашого електрифікованого майбутнього», — підкреслює Ченгіз Озкан.
Результати дослідження опубліковані у журналі Nano Energy
Джерело: 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.
