Фраунхофер разрабатывает стабилизаторы алюминиевых анодов для литий-ионных аккумуляторов
Институт Fraunhofer IPA совместно со Стутгартским университетом разработали новую технологию клеток 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 для анодов в практических батарейных устройствах.
Алюминиевая фольга служит активным материалом и проводником тока.
Источник изображения: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
Алюминий уже давно считается возможной заменой графита или кремния в литиево-ионных батареях. Этот материал относительно недорог, широко доступен и позволяет достигать высокой емкости. Однако на практике этот подход до сих пор терпит неудачу из-за механических нагрузок на электрод: во время зарядки и разрядки алюминий изменяет свой объем, что может привести к появлению трещин, пор и в конечном итоге к разрушению материала электрода. В результате происходит снижение емкости и ограниченный срок службы батареи.
Институт Фраунхофера по технологиям производства и автоматизации IPA совместно с Институтом фотоэлектрических технологий Стутгартского университета разработал и запатентовал технологию ячеек и электродов, направленную на преодоление вышеупомянутых процессов старения. По словам исследователей, этот подход стабилизирует материалы во время работы и сохраняет электрический контакт внутри электрода на протяжении множества циклов зарядки и разрядки.
«Мы делаем давно известную, но до сих пор трудно контролируемую технологию аккумуляторов практически применимой», — говорит Кай Петер Бирке, научный директор по аккумуляторным и водородным системам и накопителям в институте Fraunhofer IPA.
В этом подходе в аноде полностью отказываются от графита и кремния. Это позволит не только сократить потребность в графите, который считается критически важным сырьем для европейской промышленности по производству аккумуляторов, но также устранить проблемы, возникающие при использовании анодов с высоким содержанием кремния из-за значительных изменений объема. Еще одно отличие заключается в структуре электрода: в качестве исходного материала используется обычная легированная алюминиевая фольга, которая одновременно служит активным материалом и проводником тока. Благодаря этому можно обойтись без алюминиевой фольги из меди, применяемой в традиционных анодах.
Алюминиевая фольга служит активным материалом и проводником тока
Также исчезает необходимость в отдельном процессе покрытия, при котором активный материал наносится на проводник тока. Это должно снизить как затраты на производство, так и энергопотребление при изготовлении электродов. В качестве возможной катодной материалы исследователи называют литий-манганоксид, сокращенно LMO. В сочетании с алюминиевой анодной материалом, по их мнению, удается достичь конкурентоспособной плотности энергии. Кроме того, химический состав элемента не содержит фосфатов, что позволяет сделать его недорогой альтернативой элементам на основе литий-железо-фосфата.
Алюминиевую анодную материал также можно сочетать с электролитическими растворителями с высокой температурой вспышки. По словам ученых из Fraunhofer, в сочетании с катодной материалом LMO без фтора возможна полностью безфторная, а значит и без PFAS, конструкция элемента. Это также позволяет избежать риска образования фторводорода при пожаре аккумулятора.
Фраунхофер предвидит первые применения этой технологии прежде всего в тех областях, где особенно важны безопасность, надежность и компактные размеры устройства. Среди примеров упоминаются приложения в области авиаперевозок грузов, системы отслеживания транспортных контейнеров и специализированное медицинское оборудование.
Для будущего промышленного использования важно то, что клеточная химия должна быть производима на существующих производственных мощностях. По словам института, это исключает необходимость полной перестройки производственной инфраструктуры. Несколько прототипов уже были созданы и в настоящее время тестируются в Центре цифрового производства аккумуляторных клеток Фраунхофера IPA. В текущем сообщении институт пока не приводит данных о конкретном количестве циклов, гравиметрической или волюметрической энергетической плотности.
В то же время институт Fraunhofer работает над другими подходами к улучшению аккумуляторных элементов на уровне материалов и архитектуры. В сентябре институт Fraunhofer ISE представил архитектуру элемента с значительно более толстыми электродами. Благодаря снижению доли проводников планируется увеличить плотность энергии на 10–15 процентов в зависимости от типа аккумулятора и его конструкции. Этот подход также находится на этапе исследований, и ему ещё предстоит доказать свою возможность промышленного масштабирования.