Fraunhofer ISE повышает плотность энергии аккумуляторных элементов

Институт Fraunhofer ISE разработал новую архитектуру для аккумуляторных элементов, которая при одинаковом весе должна обеспечить на 10–15 процентов более высокую плотность энергии. Этот подход предусматривает использование значительно более толстых электродов, что позволяет обойтись меньшим количеством проводников. В перспективе это также может оказаться интересным для электромобилей.

Полуавтоматическое производство аккумуляторных элементов в Fraunhofer ISE

Источник изображения: Fraunhofer ISE

Если удастся разработать аккумуляторные элементы с более высокой энергетической плотностью при одинаковом весе, то станет возможным хранить больше энергии на одинаковом пространстве. Это может быть полезно как для стационарных аккумуляторных накопителей, которые находились в центре трех исследовательских проектов Института солнечных энергетических систем Fraunhofer ISE в Фрайбурге, поддерживаемых федеральным правительством. Однако полученные физические знания могут быть применены и к тяговым аккумуляторам электромобилей. И там более высокая энергетическая плотность также может способствовать увеличению дальности поездки автомобилей.

Но что касается проектов Franhofer ISE: организация совместно с различными партнерами работала над созданием новой архитектуры аккумуляторных элементов, позволяющей достичь более высокой энергетической плотности. Ученые сосредоточились на электродах аккумуляторов и увеличили толщину их покрытия более чем в три раза: вместо обычных 100–200 микрометров исследователи использовали покрытие толщиной до 800 микрометров.

Аккумуляторные элементы с энергетической плотностью на 10–15 процентов выше

По данным исследовательского института, плотность энергии элементов выросла в среднем на 10–15 процентов в зависимости от типа аккумулятора и его конструкции. Суть заключается в следующем: в элементе аккумулятора слои покрытий электродов и проводников тока чередуются друг с другом в виде множества тонких слоев. Покрытия содержат активный материал, который хранит энергию, в то время как проводники тока переносят электрический ток. Если электроды становятся толще, требуется меньше таких слоев, а значит, и меньше проводников тока. Таким образом, при одинаковой массе элемента остается больше места для активного материала.

«Обычно анод и катод — две электроды аккумуляторной ячейки — состоят из очень большого количества тонких слоев электродного покрытия и проводников тока, расположенных поочередно», — объясняет доктор Оливер Фиц, руководитель группы по технологии аккумуляторных ячеек в Fraunhofer ISE. «Нам удалось увеличить толщину электродного покрытия с привычных 100–200 микрометров до 800 микрометров, тем самым значительно сократив количество необходимых проводников тока. В результате у нас появилось гораздо больше места для активного материала, что позволяет повысить плотность энергии на 10–15 процентов в зависимости от типа и конструкции аккумулятора».

Основное внимание уделяется применению в аккумуляторных накопителях

Однако концепция пока не готова к массовому производству. По словам Fraunhofer ISE, результаты проектов демонстрируют скорее «многообещающий подход к перспективной индустриализации новой архитектуры электродов и элементов питания». Новые типы аккумуляторных элементов представляют интерес как для использования в системах хранения энергии на основе аккумуляторов (BESS), так и в электромобилях.

Новую структуру электродов или элементов питания разработала исследовательская группа в рамках проектов «VORAN– Инновационные натрий-ионные аккумуляторы для стационарных и мобильных приложений» (длится до июня 2027 года), «INFAB– Цинк-ионные аккумуляторы для стационарного хранения энергии – производство и сборка» (завершён) и «WinZIB2– Инновационная система цинк-ионных аккумуляторов, пригодная для использования во всем мире», все из которых финансировались федеральным правительством.