В Корее разработали кремниевый анод, позволяющий ездить 1000 км на одной зарядке, причем зарядка от 10 до 80% занимает 20 минут, а емкость составляет 402 Вт·ч на 1 кг или 1125 Вт·ч на 1 л
- 1 день назад
- 2 мин. чтения
Корреспондент Гу Бон Хёк
- POSTECH, Сеульский национальный университет и LG Energy Solution разработали материал для кремниевых батарей, устойчивый к зарядке и разрядке
Электромобиль [Getty Images Bank]
Исследовательская группа во главе с профессором Пак Су Чжина и доктора Чэ Мин Чжуна из химического факультета POSTECH (Пхоханский технологический университет) совместно с командой под руководством профессора Чхве Чжан Ука из факультета химико-биоинженерии Сеульского национального университета и компанией LG Energy Solution разработала «высокопрочный кремниевый материал», который не разрушается даже при многократной зарядке и разрядке аккумуляторов.
Самая большая проблема электромобилей — это аккумуляторы. Пробег и быстрая зарядка определяют конкурентоспособность электромобилей. До сих пор в качестве анодного материала для аккумуляторов электромобилей чаще всего использовался «графит», однако его способность к накоплению энергии уже достигла теоретического предела. Именно для преодоления этой проблемы и был предложен кремний.
Однако, несмотря на в 10 раз более высокую способность к накоплению энергии, кремний не мог быть внедрен в промышленность из-за проблемы разрушения частиц, вызванной резким изменением объема при заряде и разряде.
В отличие от предыдущих исследований, которые ограничивались улучшением либо запаса хода, либо скорости зарядки, данное исследование имеет большое значение, поскольку позволило достичь обоих результатов одновременно.
Исследовательская группа разместила кристаллы фторида лития (LiF) размером 32 нм (нанометра) внутри оксида кремния. Это стало возможным благодаря применению «закона Холла–Петча» и «обратного эффекта Холла–Петча», согласно которым кристаллы становятся прочнее по мере уменьшения размера, но при чрезмерном уменьшении, напротив, теряют прочность. Кроме того, исследователи нанесли на поверхность частиц специальный слой покрытия, который хорошо пропускает ионы и обеспечивает быстрое перемещение электронов, что позволило одновременно добиться высокой эффективности быстрой зарядки.
Рис. 1. Механизмы разрушения отрицательных электродов на основе кремния. а) Классические кривые «напряжение-деформация» материалов на основе кремния, демонстрирующие три типичных поведений (A–C), классифицированных по модулю Юнга и пределу текучести; б) соответствующие режимы разрушения при многократных циклах (де)литирования.
Рис. 2. Покрытие LiF для высокопрочного диоксида кремния с высоким модулем упругости
Рис. 3. Характеристика структуры LiF-SiO
Рис. 4. Оценка электрохимических свойств LiF-SiO
Рис. 5. Химико-механические характеристики LiF-SiO в процессе многократного (де)литирования
Рис. 6. Электрохимические свойства LiF-SiO
Профессор Пак Су Чжин из POSTECH [Предоставлено POSTECH]
Результаты экспериментов показали, что изменения объема материала, разработанного исследовательской группой, в процессе заряда и разряда оставались на уровне 18,9%. По сравнению с 300-процентным расширением традиционного кремния это фактически «незаметный» уровень. В ходе реальных испытаний аккумулятора он стабильно работал более 1000 раз при быстрой зарядке в течение 20 минут от 10 до 80%. Нормальная работа была подтверждена и в пауч-аккумуляторах емкостью 1,26 А·ч (ампер-часов) - они проработали более 500 циклов. Энергетическая плотность составила 402 Вт·ч на 1 кг, а в пересчете на объем — 1125 Вт·ч на 1 л. Этого достаточно для обеспечения гораздо большего запаса хода, чем у электромобилей, доступных на рынке в настоящее время.
По словам исследовательской группы, если эта технология будет применена в реальных электромобилях, она может способствовать разработке электромобилей, способных проехать около 1000 км на одной зарядке.
«Мы решили проблему разрушения кремниевого анода путем одновременного повышения «прочности» и «модуля упругости»» - сказал профессор Пак Су Чжин, добавив, что «это станет толчком к ускорению коммерциализации аккумуляторов нового поколения, отвечающих требованиям высокой энергетической плотности и быстрой зарядки».
Результаты данного исследования опубликованы в онлайн-версии международного научного журнала «Nature Communications».
Комментарии