Благодаря серебру емкость аккумулятора достигает 467 Вт·ч/кг: вот какое это оказывает влияние на электромобили.
Получение аккумулятора, способного хранить больше энергии без увеличения веса, является одной из главных целей разработчиков. Однако мало толку достигать впечатляющих показателей, если емкость быстро снижается при зарядке. Команда из Университета науки и технологий Гонконга представила решение, которое устраняет оба этих проблема с помощью добавки на основе серебра.
Исследование под руководством профессора Шао Минхуа позволило достичь энергетической плотности 467 Вт·ч/кг в аккумуляторе карманного формата. В отдельном случае аккумулятор кнопочного типа сохранил 90% своей емкости после 200 циклов зарядки-разрядки.
Как серебро помогает аккумуляторам без анода
Идея основана на архитектуре, называемой «без первоначального анода». Вместо того чтобы с самого начала использовать активный материал в отрицательном электроде, здесь применяется медный коллектор тока, на который во время зарядки наносится литий. Отказ от такого первоначального материала позволяет снизить вес и упростить процесс производства.
Проблема возникает, когда литий начинает оседать. Поверхность меди не способствует его равномерному распределению, в результате чего могут образовываться дендриты — структуры, похожие на иглы, которые ухудшают работу элемента и могут приводить к внутренним коротким замыканиям. Крайне важной является также стабильность защитного слоя, образующегося на поверхности электрода и называемого SEI.
Чтобы улучшить такое поведение, исследователи добавили в электролит мультифункциональное вещество под названием AMI, содержащее ионы серебра. Его функция выходит за рамки простого добавления ингредиента в смесь: оно запускает ряд процессов после сборки элемента для модификации меди, регулирования осаждения лития и усиления защиты электрода.
Серебро способствует более равномерному осаждению лития. В то же время это добавка помогает формировать защитный слой, внутренняя часть которого богата органическими компонентами, а внешняя — неорганическими. Цель состоит в том, чтобы обеспечить перемещение ионов и сохранять стабильный барьер во время последовательных зарядок и разрядок.
К этому добавляется реакция полимеризации в электролите, которая приводит к образованию полужидкого геля. Он помогает поддерживать контакт между электродом и электролитом, что является одной из сложных составляющих таких аккумуляторов. Следовательно, речь идет не о полностью твердотельном электролите, а о полужидкой конфигурации, направленной на улучшение стабильности его интерфейсов.
Что показывают испытания и что еще предстоит решить
В первоначальном исследовании, опубликованном в Nature Communications, указывается важный нюанс: 90%-ная эффективность была достигнута с использованием ячейки с катодом на основе технологии LFP, протестированной при скорости зарядки 0,1 C — медленном режиме, который не позволяет делать выводы относительно быстрой зарядки. Аккумулятор в форм-факторе «пакет», емкостью около 2 А·ч с катодом NCM811, показал показатель 467 Вт·ч/кг, рассчитанный исходя из общего веса ячейки. Речь идет о разных форм-факторах и химических составах.
Для электромобиля более высокая энергия на килограмм может означать большую автономность при примерно одинаковом весе или более легкий аккумулятор при сохранении его емкости. Однако эта цифра относится к одной ячейке: полный блок должен включать конструкцию, соединения, систему охлаждения и системы управления, вес которых тоже учитывается.
Ценность этой работы заключается в попытке решить несколько проблем с помощью одного и того же процесса. Теперь остается выяснить, сохранится ли это преимущество при увеличении размеров ячеек и требований к использованию, а также сколько будет стоить его внедрение в производство. Серебро показало интересные результаты в лабораторных условиях; следующим этапом будет проверка его эффективности в реальных условиях.
Источник | Nature