Фраунгофер стабілізує алюмінієві аноди для літій-іонних акумуляторів
Фраунгоферський інститут IPA та Університет Штутгарта розробили нову технологію елементів та електродів для алюмінієвих анодів. Вона призначена для контролю раніше проблемних змін об’єму під час заряджання та розряджання, що дозволяє використовувати алюміній як матеріал для анодів у практичних застосуваннях акумуляторів.
Алюмінієва фольга є активним матеріалом та колектором струму.
Зображення: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
Алюміній вже давно вважається потенційною заміною графіту чи кремнію у літій-іонних акумуляторах. Цей матеріал є відносно недорогим, широко доступним та забезпечує високу ємність. Однак на практиці цей підхід досі не спрацював через механічні навантаження на електрод: під час заряджання та розряджання алюміній зазнає змін об’єму, що може призвести до появи тріщин, пор та, зрештою, розчинення матеріалу електрода. Це призводить до втрати ємності та скорочення терміну служби.
Інститут Fraunhofer з інженерії виробництва та автоматизації IPA разом із Інститутом фотовольтаїки Стутгартського університету розробив та запатентував технологію елементів та електродів, яка допомагає протидіяти цим процесам старіння. За словами дослідників, цей підхід стабілізує матеріали під час роботи та забезпечує електричний контакт у межах електрода протягом багатьох циклів заряджання та розряджання.
„Ми створюємо технологію акумуляторів, яка вже давно відома, але була складною для практичного контролю та використання“, — сказав Кай Петер Бірке, науковий директор з питань акумуляторних та водневих систем та їх зберігання в Fraunhofer IPA, у прес-релізі німецькою мовою.
Цей підхід повністю усуває графіт та кремній з анода. Це може не лише зменшити попит на графіт, який вважається критичним сировиною для європейської батарейної промисловості, а й усунути проблеми, пов’язані з значними змінами об’єму в анодах, що містять багато кремнію. Ще одна відмінність полягає у структурі електрода. Вихідним матеріалом є комерційно доступна сплавлена алюмінієва фольга, яка виконує одночасно ролі активного матеріалу та колектора струму. Це усуває необхідність у мідній фользі, яка зазвичай використовується в традиційних анодах.
Алюмінієва фольга виконує роль активного матеріалу та колектора струму
Також усувається окремий процес покриття, який використовується для нанесення активного матеріалу на колектор струму. Очікується, що це зменшить як витрати на виробництво, так і споживання енергії під час виготовлення електродів. Дослідники називають оксид літію-марганцю (LMO) можливим катодом; у поєднанні з алюмінієвим анодом можна досягти конкурентоспроможної щільності енергії. Водночас хімія елемента буде вільною від фосфатів, що робить його економічно вигідною альтернативою елементам на основі фосфату літію-заліза.
Алюмінієвий анод також можна поєднати з розчинниками електроліту з високою температурою спалаху. Разом із катодом LMO без фтору, за словами Fraunhofer, можлива навіть структура елемента, повністю вільна від фтору та, отже, від PFAS. Це також уникне ризику утворення фтористого водню у разі пожежі акумулятора.
Фраунгофер бачить початкові застосування переважно в тих сферах, де особливо важливі безпека, надійність та компактний простір для встановлення. До них належать, зокрема, застосування в повітряних перевезеннях, системи відстеження транспортних контейнерів та спеціалізовані медичні пристрої.
Для подальшого промислового використання важливо те, що хімію елементів можна виробляти на існуючих виробничих потужностях. За словами інституту, тому не буде потреби у повній перебудові виробничої інфраструктури. Вже створено кілька прототипів, які наразі тестуються у Центрі цифрового виробництва акумуляторних елементів Фраунгофер IPA. У своїй поточній заяві інститут ще не надав деталей щодо конкретної кількості циклів чи гравіметричної чи об’ємної енергетичної щільності.
Водночас Fraunhofer працює над додатковими підходами для покращення акумуляторних елементів на рівні матеріалів та архітектури. У вересні Fraunhofer ISE представив архітектуру елемента з значно товстішими електродами. Шляхом зменшення частки колекторів струму щільність енергії може зрости на 10–15 відсотків, залежно від типу та конструкції акумулятора. Цей підхід все ще знаходиться на стадії досліджень, і спочатку необхідно довести його промислову масштабованість.