В Корее смогли изготовить аккумулятор с помощью пленки «парафильм», состоящей из парафина и полиэтилена

Корреспондент Гу Бон Хёк

- Команда профессора Ким Чжин Су из DGIST разработала технологию сухих электродов для батарей с использованием парафина

Профессор Ким Чжин Су (слева направо), исследователи Ким Мин Кён, Ю Тхэ Гюн и Чан Сон Бин из DGIST [Предоставлено DGIST]

Исследовательская группа под руководством профессора Ким Чжин Су из факультета энергетики и инженерии DGIST (Научно-технический институт Тэгу-Кёнбук) объявила, что, используя парафин — основной компонент свечей, — преодолела ограничения процесса производства «сухих» электродов, который считался одной из сложнейших задач в производстве батарей, и разработала новую технологию связующего вещества для сухих электродов, которая позволяет снизить цену и полностью исключить загрязнение окружающей среды.

В настоящее время мировая индустрия аккумуляторов стремится перейти от традиционного «мокрого процесса» (Wet process) к «сухому процессу» (Dry process) с целью повышения энергоэффективности и снижения нагрузки на окружающую среду. Мокрый процесс предполагает смешивание материалов для аккумуляторов с органическим растворителем, нанесение их в виде суспензии, а затем сушку в огромной печи. Этот процесс сопровождается высоким энергопотреблением, выбросами углерода и высокими эксплуатационными расходами, а также ограничениями при изготовлении толстых электродов из-за неравномерного перемещения материалов при сушке растворителя.

Однако технология изготовления сухих электродов, при которой материалы для аккумуляторов спрессовываются в виде частиц, позволяет радикально сократить производственные затраты и выбросы углерода по сравнению с мокрым процессом.

Недавно компания Tesla объявила о начале серийного производства аккумуляторных элементов 4680 с применением технологии производства сухих электродов как для катодов, так и для анодов. Компания LG Energy Solution тоже объявила о планах коммерциализации технологии производства сухих электродов к 2028 году и построила пилотную линию, что свидетельствует о жесткой конкуренции за лидерство в этой области.

Однако связующий материал для сухих электродов — политетрафторэтилен (ПТФЭ) — имел ряд ограничений: высокую стоимость, проблемы с экологическими нормами в отношении перфторированных соединений (PFAS), а также низкую адгезию, из-за чего требовалось нанесение отдельного адгезивного слоя методом мокрого покрытия.

Исследовательская группа профессора Ким Чжин Су предложила нестандартное решение, разрушающее устоявшиеся представления. Они внедрили в производство аккумуляторов парафин — основной компонент свечей, которые мы часто видим вокруг себя. Исследователи, обратив внимание на то, что основными компонентами лабораторной герметичной пленки «парафильм» являются парафин и полиэтилен, успешно применили ее в качестве нового связующего вещества для сухих электродов аккумуляторов.

Парафильм фиксирует активное вещество при низкой температуре (60 °C), что позволяет изготавливать сухие электроды без отдельного, влажного адгезивного слоя на токоприемнике. Кроме того, это позволяет сократить затраты на связующее из ПТФЭ на 95 % и снизить показатель глобального потепления (GWP) в 2200 раз, что способствует достижению углеродной нейтральности.

Сравнение существующего процесса производства электродов для аккумуляторов с технологией сухих электродов на основе парафильма [Предоставлено DGIST]

Рис 1. Сравнение связующих веществ из ПТФЭ, ПВДФ и парафильма с учетом их структуры, стоимости, воздействия на окружающую среду и технологического процесса. a–c Сравнение химического состава связующих веществ отражает их молекулярную структуру. Сравнение d стоимости материалов и e потенциала глобального потепления (GWP) позволяет определить экономические и экологические последствия. f На схемах возможного технологического процесса по концепции «от порошка к электроду» показаны прессование и формирование электродов с нанесением рисунка.

Рис 2. a FTIR-спектры, демонстрирующие сигналы C-F- и C-H-связей. b Кривые DSC, показывающие Tg связующих веществ. c Энергетическая разность HOMO-LUMO полимерных сегментов для оценки электрохимического окна

Рис 3. a Измерение когезии электродов в зависимости от глубины b Измерение адгезии с нанесением грунтовочного покрытия и без него. Планка погрешности представляет собой стандартное отклонение (σ) от трех независимых измерений для каждой экспериментальной группы. Значения адгезии и когезии определялись как усредненная горизонтальная сила, измеренная в заданной области нагружения. Изображения поперечного сечения, полученные с помощью СЭМ, и картины EDS атомов углерода для c, f (ПТФЭ), d, g (ПВДФ) и e, h (на основе парафильма) использовались для определения распределения CBD и микроструктурных дефектов. i–l Трехмерное реконструированное изображение, полученное в результате анализа с помощью FIB-SEM, для определения микроструктуры и распределения материала сухих электродов на основе парафильма

Рис 4. Данные EIS по Найквисту для a ПТФЕ, b ПВДФ и c электродов на основе парафильма. d Ионные извилистости и e–h сравнение DCIR для этих электродов на основе связующих веществ с целью определения комплексного сопротивления. (1 C = 200 mA g−1).

Рис 5. Характеристики скорости в конфигурации полуэлемента для a ПТФЕ, b ПВДФ и c парафильма. Профиль циклирования полных элементов с d ПТФЕ, e ПВДФ, f парафильма и g сравнение циклируемости, где элемент на основе ПТФЕ вышел из строя после 580 циклов. (1 C = 200 mA g−1).

Кроме того, было подтверждено, что связующее на основе парафильма равномерно распределяется внутри электрода, обеспечивая превосходные характеристики ионной проводимости. На примере катодного материала NCM811 было подтверждено стабильное срока службы без снижения характеристик даже после 1000 циклов заряда-разряда.

Исследовательская группа также проверила коммерческую применимость технологии сухих электродов на основе парафильма, изготовив пакетные элементы размером 3 см × 4 см и применив процесс непрерывной двухшнековой экструзии. В настоящее время обеспечены патентные права на базовую технологию, и планируется передача технологии заинтересованным компаниям.

«Разработанный нами связующий материал на основе парафильма является ключевой базовой технологией, позволяющей максимально повысить экономичность и экологичность сухого процесса» - сказал профессор Ким Чжин Су, добавив: «Мы внесем вклад в укрепление лидерства корейской аккумуляторной промышленности путем предоставления технологий для производства экологически устойчивых аккумуляторов».

Результаты данного исследования, проведенного при поддержке программы творческих междисциплинарных исследований Национального совета по науке и технологиям (NST) и Фонда DGIST для стартапов, опубликованы в международном научном журнале «Nature Communications».

nbgkoo@heraldcorp.com

#южнаякорея #корея #политика #экономика #промышленность #технология #медицина #бизнес #финансы #аккумулятор #парафин #парафильм #инвестиция #общество #культура #искусство #азия