В Корее смогли продлить срок службы литий-металлических аккумуляторов путем простого нанесения раствора
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Нанесение сверхтонкого покрытия толщиной 2–3 мкм на поверхность лития-металла повышает срок службы и стабильность батареи
- Сохранение емкости на уровне 92,5 % после 200 циклов заряда-разряда; применение в аккумуляторах для электромобилей и дронов
Зарядка электромобиля [Getty Images Bank]
Разработана технология, позволяющая повысить срок службы и стабильность литий-металлических аккумуляторов, которые привлекают внимание как аккумуляторы нового поколения, с помощью простого нанесения покрытия. Суть технологии заключается в формировании защитной пленки путем нанесения капли специального раствора на поверхность лития и его высыхания, что снижает риск снижения производительности аккумулятора и внутреннего короткого замыкания.
23 октября Институт науки и технологий Кванджу (GIST) сообщил, что исследовательская группа во главе с доктором Чо Чжин Хёна из Центра исследований аккумуляторов и электрохимии Института энергетики нового поколения под руководством профессора Ом Гван Соба из факультета инженерии новых материалов разработала технологию защитного слоя, которая подавляет неравномерный рост литиево-металлического анода и повышает стабильность при заряде и разряде.
Литий-металлические аккумуляторы — это аккумуляторы нового поколения, в которых в качестве анода используется литий-металл вместо графита, применяемого в традиционных литий-ионных аккумуляторах. Теоретическая ёмкость литий-металла на единицу веса примерно в 10 раз превышает ёмкость графита, что благоприятно сказывается на увеличении запаса хода электромобилей и продолжительности полёта дронов.
Однако при многократных циклах заряда и разряда на поверхности лития возникает нерегулярный рост «дендритов» — кристаллов в форме веточек. Если эти кристаллы повредят разделительную мембрану, может произойти внутреннее короткое замыкание. Еще одним препятствием на пути к коммерческому применению является сокращение срока службы батареи из-за изменения объема лития и разложения электролита в процессе заряда и разряда.
Процесс изготовления защитного слоя для литиевого металла и характеристики батареи [Предоставлено GIST]
Для решения этих проблем исследовательская группа разработала защитный слой, сочетающий в себе нитрат магния и гибкий полимерный материал (PVDF-HFP).
Если капнуть раствор, в котором растворены эти два вещества, на поверхность литий-металла и дать ему высохнуть, образуется защитный слой толщиной 2–3 микрометра (мкм), что составляет примерно одну тридцатую толщины волоса.
На внутренней стороне защитного слоя образуется пленка, богатая твёрдыми неорганическими компонентами, которая сдерживает неравномерный рост лития. На внешней стороне слоя формируется гибкая пленка из полимера, которая помогает предотвратить повреждение защитного слоя даже при изменении объёма лития-металла в процессе заряда и разряда.
Результаты экспериментов показали, что на электродах без защитного слоя литий откладывался неравномерно, образуя выступы, тогда как на электродах с защитным слоем литий откладывался относительно равномерно.
Также улучшился кулоновский КПД, отражающий эффективность извлечения и повторного использования лития в процессе заряда и разряда. Аккумуляторы с защитным слоем показали средний показатель 94 % за 250 циклов заряда и разряда, в то время как аккумуляторы без защитного слоя достигли в среднем лишь 92 % за 120 циклов.
Эффект повышения производительности был подтверждён и в аккумуляторах с различными электролитами.
Аккумулятор с карбонатным электролитом и никель-кобальт-марганцевым (NCM811) анодом сохранил 90,6 % от первоначальной ёмкости после 80 циклов заряда-разряда. В то же время ёмкость аккумулятора без защитного слоя начала быстро снижаться уже после 30 циклов.
Батареи с электролитом на основе эфира и анодом из литий-железо-фосфата (LFP) продемонстрировали стабильные характеристики заряда и разряда более 500 циклов. В частности, даже при увеличенной ёмкости анода они сохранили 92,5 % от первоначальной ёмкости после 200 циклов заряда и разряда.
Было подтверждено, что аккумулятор в форме пакета (пауча), аналогичный реальным аккумуляторам, стабильно работает более 70 циклов.
Данная технология позволяет создавать защитный слой с помощью простого нанесения раствора без использования сложного оборудования, что открывает возможности для ее внедрения в процессы массового производства в будущем. Однако для фактической коммерциализации необходимо дополнительно проверить однородность нанесения покрытия на большие площади, а также долговечность и безопасность в аккумуляторах большего размера.
«Мы подтвердили, что тонкий защитный слой, сформированный с помощью простого нанесения раствора, смягчает проблемы нестабильной поверхностной реакции лития-металла и изменения объёма, а также эффективно работает в различных электролитных средах» - заявил доктор Чо Чжин Хён, добавив: «Мы проведём дополнительную проверку производственного процесса и долговечности, чтобы способствовать практическому внедрению литий-металлических аккумуляторов с высокой ёмкостью и высокой безопасностью».
Результаты данного исследования опубликованы в международном научном журнале по химической инженерии «Chemical Engineering Journal».
Комментарии