673886040@qq.com
Литий-ионные аккумуляторы бьют рекорд плотности энергии
Исследователям удалось создать перезаряжаемые литиевые батареи мешочного типа с рекордной плотностью энергии более 700 Втч/кг. Новая конструкция включает высокоемкий катод на основе марганца с высоким содержанием лития и тонкий металлический литий-анод с высокой удельной энергией. При дальнейшем развитии устройство может найти применение в таких приложениях, как электрическая авиация, для которой требуются батареи с гораздо большей плотностью энергии, чем те, которые доступны сегодня Литий-ионные аккумуляторы являются ключевой технологией, помогающей достичь целей климатической нейтральности. Они все чаще используются для питания электромобилей и в качестве основных компонентов бытовых устройств, хранящих энергию, вырабатываемую из возобновляемых источников. Эта технология также значительно продвинулась вперед: с тех пор, как Sony впервые выпустила ее на рынок в 1991 году, плотность энергии литий-ионных аккумуляторов увеличилась с 80 Втч/кг до примерно 300 Втч/кг.
Однако для достижения по-настоящему безуглеродной экономики потребуются батареи с более высокими характеристиками, чем те, которые могут обеспечить современные литий-ионные технологии. Например, в электромобилях ключевым соображением является то, что батареи должны быть как можно меньше и легче. Для достижения этой цели требуется плотность энергии выше 400 Втч/кг. Проблема в том, что современные литий-ионные аккумуляторы в основном содержат катоды интеркаляционного типа (например, LiFePO4, LiCoO2 или LiNixMnyCozO2, x+y+z=1) и аноды на основе графита, а плотность энергии этих электродов приближается к своему верхнему пределу. предел.
Высокое напряжение заряда-разряда
В новой работе исследователи во главе с Сицяном Ю и Хун Ли из Института физики Китайской академии наук в Пекине изготовили практичные перезаряжаемые литиевые батареи мешочного типа, используя сверхтолстый Li1.2Ni0.13Co0 с высокой разрядной емкостью. Катод 13Mn0,54O2 с поверхностной емкостью более 10 мАч/см2 и металлический литий-анод. Высокое напряжение заряда-разряда богатых литием оксидов на основе марганца обеспечивает более высокую емкость хранения ионов лития.
«В анодном электроде используется ультратонкий металлический литий, нанесенный с помощью технологии разделительного покрытия, которая решает досадную проблему обратимого осаждения ультратонкого лития с большой поверхностной емкостью», — объясняет первый автор Цюань Ли.
Устройства могут похвастаться гравиметрической плотностью энергии 711,3 Втч/кг и объемной плотностью энергии 1653,65 Втч/л, оба из которых являются самыми высокими среди перезаряжаемых литиевых батарей на основе катода интеркаляционного типа, рассказывает Ли Физике.
«Что касается производства аккумуляторов, наша конструкция конечной аккумуляторной батареи (включая использование сверхтонких токосъемников) была адаптирована для минимизации использования вспомогательных материалов при одновременном увеличении доли активных материалов во всей батарее», — добавляет он. «Этот синергетический подход позволил добиться сверхвысокой плотности энергии аккумуляторов».
Электромобили дальнего действия и электрическая авиация могут выиграть
Новые устройства могут принести пользу электромобилям дальнего действия и электроавиации, которые предъявляют все более высокие требования к плотности энергии аккумуляторов. По словам Ли, исследование также может помочь решить некоторые проблемы, связанные с аккумуляторной технологией.
«Например, он дает представление о том, как сбалансировать безопасность и другие важные факторы в батареях с высокой плотностью энергии, что поможет в практической реализации батарей с высокой плотностью энергии в будущем. Исследования аккумуляторов с плотностью энергии, приближающейся к теоретическим пределам, также помогут улучшить наши знания в области ионики твердого тела и электрохимии твердого тела, что, возможно, позволит внедрить технологические инновации в новые материалы и аккумуляторные системы».
Исследователи, которые сообщают о своей работе в китайском журнале Physics Letters, объясняют, что всегда существует компромисс между плотностью энергии, производительностью цикла, скоростью и безопасностью литий-ионных аккумуляторов. Безопасность является основным требованием, но повышенная плотность энергии увеличивает риски при работе от батареи, говорят они. «Плотность энергии необходимо постепенно повышать, обеспечивая при этом безопасность», — говорит Ли. «Наша цель — повысить безопасность аккумуляторов с помощью технологии твердотельных аккумуляторов, сделав аккумуляторы с высокой плотностью энергии более практичными».
Он добавляет, что характеристики циклов батарей с высокой плотностью энергии также все еще отстают от нынешних коммерческих батарей. «Этот параметр необходимо рассматривать комплексно, чтобы соответствовать требованиям конкретных областей. Поэтому для практического применения аккумуляторов сверхвысокой плотности энергии потребуется значительное время. Решение проблем, препятствующих их практическому использованию, будет постоянным направлением наших будущих исследований».
