Аккумуляторные материалы: из чего сделан батарея будущего?

Под давлением: Kostiantyn Kravchyk изучает, может ли нежелательный рост дендритов быть уменьшенным с давлением.Работа над новыми батареями выполняется в защитной атмосфере.Кредит: Empa

Исследовательская группа EMPA, возглавляемая Maksym Kovalenko, изучает инновационные материалы для батарей завтрашнего дня.Будь то быстрого зарядки электромобилей или недорогое стационарное хранение, есть многообещающий материал или новый производственный процесс для каждого применения.

Каковы признаки хорошей батареи?Это его емкость?Как быстро это заряжается?Или его цена?Ответ зависит от того, где используется батарея, говорит исследователь EMPA Kostiantyn Kravchyk.В группе функциональных неорганических материалов, возглавляемой Максимом Коваленко и частью лаборатории тонких пленок и фотоэлектрических фильмов Empa, ученый разрабатывает новые материалы, чтобы сделать завтрашние батареи более мощными и быстрее-или более экономически эффективными.

Две области применения для перезаряжаемых батарей имеют решающее значение для перехода к возобновляемой энергии.Один из них - электромобильность;Другим является так называемое стационарное хранилище, которое хранит электроэнергию из возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце.Батареи для электромобилей должны быть компактными и легкими, иметь высокую емкость и заряжать как можно быстрее.Стационарные батареи могут занять больше места, но они являются экономически эффективными, только если они максимально дешевы.

Исследование было опубликовано в Cell Reports Physical Science и Advanced Materials.

По сути, каждая батарея состоит из катода, анода и электролита.В обычных литий-ионных батареях анод изготовлен из графита, а катодный материал представляет собой смешанный оксид лития и других металлов, таких как оксид литий-кобальта (III).Электролиты используются в качестве передатчиков литий -ионов от катода до анода и обратно, в зависимости от того, заряжается ли ячейка или разряжена.

Когда дело доходит до батарей для электромобильности, требуется высокая плотность энергии.«С анодом, изготовленным из чистого металлического лития вместо графита, мы могли бы сохранить гораздо больше энергии в ячейке того же размера», - говорит Кравик.Тем не менее, литий не разряжается и депонируется равномерно, когда ячейка заряжается и разряжается.Это приводит к образованию так называемых дендритов: разветвленных структур металлического лития, которые могут коротко закручивать батарею.

Одним из способов замедлить рост дендритов является использование твердых электролитов.В так называемых твердотельных батареях, вместо жидкости твердый слой материала проводит литий-ионы от катода до анода и спины.

Требования к материалу электролита высоки.«Люди говорят об зарядке батарей в течение десяти до пятнадцати минут», - объясняет Кравик.«Это требует очень высокой плотности тока, при которой дендриты образуются даже в твердотельных батареях».

Плотность тока является соотношением тока к области, через которую он течет.Еще одна проблема заключается в том, что неравномерное снятие и осаждение лития создает пустоты на границе между электродом и твердым электролитом, уменьшая доступную область контакта и еще больше увеличивая плотность тока.

В рамках программы иконы Fraunhofer Icon (международное сотрудничество и сеть), Kravchyk и другие исследователи EMPA теперь уточняют многообещающий твердый электролит.Материал, оксид циркония Lithium Lanthanum, или LLZO для коротких, имеет высокую ионную проводимость и химическую стабильность - двусмысленные свойства для использования в батареях.

«Мы сделали мембрану бислойной LLZO, состоящую из плотного и пористого слоя», - говорит Кравик.Если литий хранится в полях, между литием и электролитом создается очень большая площадь контакта, а плотность тока остается низкой.Плотный слой гарантирует, что никакие дендриты не могут вырасти до другого электрода и вызвать короткий замыкание.

Исследователи также думали о экономической эффективности: они разработали простой, недорогой и масштабируемый процесс для производства бислойных мембран.

Исследователи приняли совершенно другой подход в проекте, включающем стационарное хранение возобновляемых источников энергии.«Самая важная метрика для стационарного хранилища - это цена», - объясняет Кравик.Литий-ионные батареи, используемые для стационарного хранения, сегодня сравнительно дороги.«Вот почему большинство стационарных потребностей в хранении все еще удовлетворяются технологией гидроэнергетики насоса, хотя она имеет очень низкую плотность энергии по сравнению с батареями», - продолжает исследователь.

Одним из самых больших драйверов стоимости стационарных литий-ионных батарей являются материалы, используемые для их производства.В дополнение к литию, кобальт и никель необходимы для катода.Поиск лучших катодных материалов быстро привел исследователей к одному из самых распространенных элементов в коре Земли: железо.

Для своего катода исследователи объединили недорогой металл с фторидом в виде гидроксифлюорида железа (III).«Предыдущие подходы к созданию батареи на основе железных фторидов, опираясь на химическое преобразование», - объясняет Кравчик.Это включает в себя преобразование ионов железа в металлическое железо.«Этот процесс не очень стабилен», - заявляет исследователь.«В идеале ионы просто перемещаются от одного полюса к другому, не преодолевая серьезные структурные преобразования».

Это проблема для исследователей, поскольку фториды имеют плохую проводимость, как для электронов, так и для ионов лития.Но у команды Кравчика есть решение: использование простого и недорогого процесса, они дали гидроксифлюрид железа (III) определенную кристаллическую структуру.Эта так называемая структура пирохлора содержит каналы внутри него, которые проводят литий-ионы.

«Мы смогли добиться сопоставимой производительности по гораздо более низкой цене с нашей батареей», - говорит Кравик.«Мы полностью удивлены, что вряд ли кто-то исследовал, чтобы разработать недорогой синтез этого многообещающего материала до сих пор».

Больше информации: Huanyu Zhang et al., Сверхбывающие засыпанные самостоятельные мембраны LLZO для твердотельных батарей с высокой плотностью энергии, ячейки сообщают о физической науке (2023).Doi: 10.1016/j.xcrp.2023.101473

Джулиан Феликс Баумгартнер и др., Флоориды гидрокси с пирохлором в виде литий -ионных катодных материалов с низким уровнем кост для хранения стационарной энергии, усовершенствованных материалов (2023).Doi: 10.1002/adma.202304158