Fraunhofer стабілізує алюмінієві аноди для літій-іонних акумуляторів
Фраунгофер IPA та Університет Штутгарта розробили нову технологію клітин та електродів для алюмінієвих анодів. Вона має дозволити контролювати раніше проблемні зміни об’єму під час заряджання та розряджання, що у свою чергу зробить алюміній придатним як матеріал для анодів у практичних батарейних пристроях.
Алюмінієва фольга є активним матеріалом та провідником струму.
Зображення: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
Алюміній вже давно вважається можливою заміною графіту чи кремнію у літій-іонних акумуляторах. Цей матеріал є відносно недорогим, широко доступним та дозволяє досягати високої ємності. Однак на практиці цей підхід досі зазнавав невдач через механічне навантаження на електрод: під час заряджання та розряджання алюміній змінює свій об’єм, що може призводити до утворення тріщин, пор та зрештою до розпаду матеріалу електрода на порошок. Наслідком є втрата ємності та обмежений термін служби.
Інститут Фраунгофера з технологій виробництва та автоматизації IPA спільно з Інститутом фотовольтаїки Університету Штутгарта розробив та запатентував технологію клітин та електродів, яка допомагає протидіяти цим процесам старіння. За словами дослідників, цей підхід стабілізує матеріали під час роботи та зберігає електричний контакт усередині електрода протягом багатьох циклів заряджання та розряджання.
„Ми робимо давно відому, але досі складну для контролю технологію акумуляторів практично придатною до використання“, — каже Кай Петер Бірке, науковий директор з питань акумуляторних та водневих систем та сховищ у Fraunhofer IPA.
У цьому підході в аноді повністю відмовляються від графіту та кремнію. Це дозволить не лише зменшити попит на графіт, який вважається критичним сировиною для європейської промисловості батарей, а й усунути проблеми, що виникають при анодах з високим вмістом кремнію через значні зміни об’єму. Ще одна відмінність полягає у структурі електрода. Вихідним матеріалом є стандартна легована алюмінієва фольга, яка водночас є активним матеріалом та провідником струму. Завдяки цьому можна обійтися без алюмінієвої фольги з міддю, яка використовується у традиційних анодах.
Алюмінієва фольга виконує функцію активного матеріалу та провідника струму
Також не потрібен окремий процес покриття, під час якого активний матеріал наноситься на провідник струму. Це має допомогти знизити як вартість виробництва, так і енергоспоживання під час виготовлення електродів. Як можливу катоду дослідники називають літій-манганат, скорочено LMO. У поєднанні з алюмінієвою анодою, за їхніми словами, можна досягти конкурентоспроможної щільності енергії. Водночас хімія елемента буде вільною від фосфату, що може зробити її недорогою альтернативою елементам на основі літій-залізо-фосфату.
Крім того, алюмінієву аноду можна поєднати з електролітними розчинниками з високою температурою запалювання. Разом із катодою LMO без фтору, за даними Fraunhofer, навіть можливий повністю вільний від фтору та, отже, від PFAS будова елемента. Це також дозволить уникнути ризику утворення фторводню під час пожежі акумулятора.
Фраунгофер бачить перші застосування насамперед там, де особливо важливі безпека, міцність та компактний простір для встановлення. Серед них згадуються, зокрема, застосування у авіаперевезенні вантажів, системи відстеження транспортних контейнерів та спеціалізоване медичне обладнання.
Для подальшого промислового використання важливо те, що клітинну хімію має бути можливо виробляти на існуючих виробничих об’єктах. За словами інституту, це усуває необхідність повної перебудови виробничої інфраструктури. Кілька прототипів вже створено та наразі проходять тестування у Центрі цифрового виробництва акумуляторних клітин Фраунгофер IPA. У поточному повідомленні інститут ще не наводить даних про конкретну кількість циклів чи гравіметричну чи об’ємну щільність енергії.
Одночасно Fraunhofer працює над іншими підходами для вдосконалення акумуляторних елементів на рівні матеріалів та архітектури. Лише у вересні Fraunhofer ISE представив архітектуру елемента з значно товстішими електродами. Завдяки зменшенню частки електропровідників щільність енергії має зрости на 10–15 відсотків залежно від типу та конструкції акумулятора. Цей підхід також ще знаходиться на рівні досліджень та мусить спочатку довести свою можливість промислового масштабування.