Fraunhofer ISE оптимизирует аккумуляторные элементы: больше энергии при одинаковом весе

Источник изображения: Fraunhofer ISE

Совместно с партнерами из научных кругов и промышленности Институт солнечных энергетических систем Fraunhofer ISE изменил структуру электродов в аккумуляторах таким образом, что клетки могут хранить на 10–15 процентов больше энергии при том же весе. Этого удалось добиться путем увеличения толщины покрытия электродов аккумуляторов — например, в литиево-ионных батареях — более чем в три раза, что одновременно привело к сокращению количества проводников тока внутри клетки.

По информации в пресс-релизе, исследовательская группа внедрила новую архитектуру электродов в литиево-ионные батареи типа pouch, произведенные в промышленных условиях. Кроме того, им удалось успешно применить эту концепцию к цинк-ионным и натрий-ионным батареям.

«Обычно анод и катод — два электрода батарейной ячейки — состоят из множества тонких слоев покрытия электродов и проводников тока, расположенных поочередно», — объясняет Оливер Фиц, руководитель группы по технологиям батарейных ячеек в Fraunhofer ISE. «Нам удалось увеличить толщину покрытия электродов с обычных 100–200 микрометров до 800 микрометров, тем самым значительно сократив количество необходимых проводников тока. В результате у нас появилось гораздо больше места для активного вещества, что позволяет повысить плотность энергии на 10–15 процентов в зависимости от типа и конструкции батареи».

Исследовательская группа в Fraunhofer ISE сначала экспериментально проверила новую архитектуру электродов для аккумуляторов на цинково-ионных, натрий-ионных и литий-ионных технологиях на небольших батарейных элементах в лаборатории. Для литий-ионных аккумуляторов они также изготовили прототипы кейс-типных батарейных элементов с новой структурой электродов на полуавтоматической производственной линии в современном чистом зале лаборатории Fraunhofer ISE Battery Materials and Cell Production Lab. «Эту концепцию элемента можно легко адаптировать и к другим типам химических составов элементов», — добавляет Оливер Фиц.

Электроды аккумуляторов не содержат PFAS, и в процессе их производства не используются токсичные растворители. При разработке новой архитектуры элементов учитывалась возможность их серийного производства в будущем: по мнению исследователей, потенциальная линия для производства электродов имеет значительно меньшую сложность процесса по сравнению с установками для влажного покрытия, используемыми в настоящее время. Благодаря этому инвестиционные затраты существенно снижаются. Также сокращаются эксплуатационные расходы за счёт уменьшенных потребностей в площади и энергии. Эта технология призвана предоставить, в частности, малым и средним предприятиям возможность создать собственное производство аккумуляторных элементов в Германии.

По словам ответственных лиц, результаты проекта демонстрируют многообещающий подход к перспективной индустриализации новой архитектуры электродов и элементов. Компания Helmut Hechinger GmbH & Co. KG выступает в качестве промышленного партнера исследовательского консорциума, внося свой опыт в области производства. Компания-изготовитель оборудования acp systems AG, также являющаяся партнером проекта, разрабатывает установки для производства электродов.

«В энергетической системе с нулевыми выбросами углерода, основанной на колеблющихся источниках энергии — солнце и ветер, стационарные аккумуляторные накопители являются неотъемлемой частью для компенсации пиков нагрузки утром и вечером», — говорит Андреас Бетт, руководитель института Fraunhofer ISE. «Например, в Калифорнии аккумуляторные накопители уже сейчас в значительной степени обеспечивают электроэнергию вечером. Германии было бы полезно создать производственные мощности для удовлетворения растущего спроса на аккумуляторы и тем самым повысить добавленную стоимость в стране. Мы будем очень рады, если сможем внести свой вклад».

Новую структуру электродов или ячеек разработала исследовательская группа в рамках проектов «VORAN – инновационные аккумуляторы на натрий-ионах для стационарных и мобильных приложений» (длится до июня 2027 года), «INFAB – аккумуляторы на цинк-ионах для стационарного хранения энергии – производство и сборка» (завершён) и «WinZIB2 – инновационная система аккумуляторов на цинк-ионах, пригодная для использования во всём мире» (завершена), совместно с партнёрами acp systems AG, Helmut Hechinger GmbH & Co. KG, Университетом Штутгарта – Институтом фотовольтаики (ipv) и Карлсруэским технологическим институтом/Институтом Гельмхольца в Ульме. Федеральное министерство экономики и энергетики Германии BMWE финансировало исследования в проектах VORAN и InFAB, а Федеральное министерство образования и науки Германии BMBF поддержало проект WinZIB2.

Также интересно

Об авторе

Томас Лангенбухер — эксперт в области электромобильности с опытом работы в автомобильной и финансовой отраслях. С 2011 года он публикует статьи на сайте ecomento.de о электромобилях, устойчивых технологиях и решениях в сфере мобильности. Узнайте больше.

Взаимодействие с читателями