Фраунхофер разрабатывает методы стабилизации алюминиевых анодов для литий-ионных аккумуляторов
Институт Fraunhofer IPA совместно со Стутгартским университетом разработали новую технологию элементов и электродов для алюминиевых анодов. Она призвана сделать ранее проблематичные изменения объема во время зарядки и разрядки управляемыми, тем самым позволяя использовать алюминий в качестве материала анода для практического применения в батареях.
Алюминиевая фольга служит активным материалом и коллектором тока.
Изображение: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
Алюминий уже давно считается потенциальной заменой графита или кремния в литиево-ионных аккумуляторах. Этот материал относительно недорог, широко доступен и обеспечивает высокую емкость. Однако на практике этот подход до сих пор не сработал из-за механических нагрузок на электрод: во время зарядки и разрядки алюминий претерпевает изменения объема, что может привести к появлению трещин, пор и в конечном итоге к разрушению материала электрода. В результате происходит снижение емкости и уменьшение срока службы.
Институт Фраунхофера по инженерии производства и автоматизации IPA совместно с Институтом фотоэлектрики Стутгартского университета разработали и запатентовали технологию элементов и электродов, направленную на преодоление этих процессов старения. По словам исследователей, данный подход стабилизирует материалы во время работы и обеспечивает надежный электрический контакт внутри электрода на протяжении множества циклов зарядки и разрядки.
«Мы создаем технологию аккумуляторов, которая известна уже давно, но была сложной в практическом применении из-за трудностей с контролем», — заявил Кай Петер Бирке, научный директор отдела аккумуляторных и водородных систем, а также хранения энергии в институте Fraunhofer IPA, в пресс-релизе на немецком языке.
Этот подход полностью исключает графит и кремний из анода. Это позволит не только сократить спрос на графит, который считается важнейшим сырьем для европейской батарейной промышленности, но и устранить проблемы, связанные с значительными изменениями объема у анодов, насыщенных кремнием. Еще одно отличие заключается в структуре электрода. Исходным материалом является коммерчески доступная сплавленная алюминиевая фольга, которая служит одновременно активным материалом и коллектором тока. Это исключает необходимость в медной фольге, обычно используемой в традиционных анодах.
Алюминиевая фольга служит активным материалом и коллектором тока
Также отменяется отдельный процесс покрытия, используемый для нанесения активного вещества на коллектор тока. Ожидается, что это снизит как затраты на производство, так и энергопотребление при изготовлении электродов. Исследователи называют оксид лития-марганца (LMO) возможным катодом; в сочетании с алюминиевым анодом можно достичь конкурентоспособной плотности энергии. При этом химия элемента будет свободна от фосфатов, что позволит сделать его экономически выгодной альтернативой элементам на основе фосфата лития-железа.
Алюминиевый анод также можно сочетать с растворителями электролита с высокой температурой вспышки. По словам Fraunhofer, в сочетании с катодом LMO без фтора возможна даже структура элемента, полностью свободная от фтора и, следовательно, от PFAS. Это также позволит избежать риска образования фтористого водорода при возгорании аккумулятора.
Фраунхофер видит первоначальные сферы применения в основном в тех областях, где особенно важны безопасность, надежность и компактные размеры для установки. К ним относятся, среди прочего, задачи воздушной транспортировки, системы отслеживания транспортных контейнеров и специализированные медицинские устройства.
Для будущего промышленного использования важно то, что химию элементов аккумуляторов можно производить на существующих производственных мощностях. По словам института, поэтому не потребуется полная перестройка производственной инфраструктуры. Уже было создано несколько прототипов, которые в настоящее время тестируются в Центре цифрового производства элементов аккумуляторов Фраунхоферского института IPA. В своем текущем заявлении институт пока не предоставил информацию о конкретном количестве циклов работы и гравиметрической или объемной энергетической плотности.
В то же время институт Фраунхофер работает над дополнительными подходами к улучшению аккумуляторных элементов на уровне материалов и архитектуры. В сентябре институт Фраунхофер ISE представил архитектуру элемента с значительно более толстыми электродами. Благодаря сокращению доли коллекторов тока плотность энергии может увеличиться на 10–15 процентов в зависимости от типа и конструкции аккумулятора. Этот подход все еще находится на этапе исследований, и сначала необходимо доказать его промышленную масштабируемость.