Куберг
В то время как литий-ионные батареи постоянно совершенствуются, много исследований было направлено на новые химические процессы, которые обеспечивают гораздо больший скачок в производительности. Некоторые из этих работ были сосредоточены на таких материалах, как кремний или сера, которые потенциально могут хранить гораздо больше лития, чем существующие электродные материалы. Но другие варианты полностью избавляются от электродных материалов. К ним относятся литий-воздушные и литий-металлические батареи.
Все они столкнулись с проблемами стабильности, поскольку батареи, основанные на этой технологии, имеют короткий срок службы по сравнению с существующими литий-ионными батареями (хотя батареи с некоторым содержанием кремния уже используются). Но в четверг компания объявила, что разрабатываемая ею литий-металлическая батарея достигла стабильности, конкурентоспособной с существующими литий-ионными батареями, сохраняя 80 процентов своей первоначальной емкости в течение почти 700 циклов зарядки/разрядки, и что это был подтвержден внешней испытательной лабораторией.
Чтобы узнать больше об этом прогрессе и о том, где может быть использован металлический литий, мы поговорили с Ричардом Вангом, основателем Cuberg, дочерней компании гиганта аккумуляторов Northvolt.
Металл
Существующие литий-ионные батареи имеют материалы электродов, которые способны хранить ионы или атомы лития в промежутках и карманах в своей структуре. Вместо этого литий-металлические батареи просто образуют слой лития на одном из электродов, избавляясь от материала для хранения, что позволяет сэкономить вес и объем. По сравнению с существующими литий-ионными батареями, это позволит хранить такое же количество заряда в меньшей или более легкой батарее.
Однако до сих пор литий-металлические батареи, как правило, имели ограниченный срок службы. Частично проблема возникает из-за неравномерного образования литиевых отложений в течение нескольких циклов заряда/разряда. Это может привести к образованию металлических шипов, называемых дендритами, которые могут повредить другие компоненты батареи и вызвать короткое замыкание. Вторая проблема заключается в том, что металлический литий довольно реактивен и потенциально может вступать в реакции с химическими веществами в электролите батареи.
Сами реакции могут разлагать электролит. Но они также могут покрывать электрод материалами, которые затрудняют формирование однородного литиевого покрытия, создавая проблему самоусиления. «Вся эта новая поверхность будет реагировать с вашим электролитом и образовывать различные материалы на границе раздела», — сказал Ван Арсу. «И тогда эти материалы имеют тенденцию образовываться неоднородным образом, и, возможно, некоторые из них становятся изолирующими, другие части подвергаются воздействию, и тогда вы получаете все большую и большую неоднородность».
Так как же предотвратить это? С момента своего основания компания Cuberg сосредоточилась на электролитах. Компания использует ионную жидкость в качестве основы своего электролита. Ван описал это как ионную соль, которая оказывается расплавленной при комнатной температуре (хотя ионы часто представляют собой органические химические вещества, а не элементы). Они были опробованы ранее, но имеют тенденцию быть вязкими, что мешает движению ионов лития. Чтобы избежать этого, Куберг смешивает дополнительные химикаты (один из них — органический химикат, называемый эфиром), чтобы снизить вязкость и улучшить стабильность.
Хотя эта смесь по-прежнему может вступать в реакцию с металлическим литием, она предназначена для того, чтобы вызывать меньше проблем, когда это происходит. «Другой ключевой фактор заключается в том, как настроить реактивность, чтобы, когда она действительно реагирует, вы получали именно такую защитную однородную поверхность», — сказал Ван.
Каков результат? Во-первых, значительно более высокая плотность заряда. В то время как многие современные литий-ионные батареи имеют удельную мощность в районе 270 ватт-часов/килограмм, карманный элемент, основанный на технологии Куберга, достигает 380 ватт-часов/кг, то есть прирост составляет 40 процентов. Когда независимая лаборатория поместила батарею в цикл одночасовой разрядки и двухчасовой зарядки, она обнаружила, что батарее потребовалось более 670 циклов, чтобы ее емкость упала до 80 процентов от первоначальной. Для сравнения, срок службы многих литий-ионных аккумуляторов составляет 500 циклов.
Ван отметил, что в этом тесте использовалась постоянная скорость зарядки на протяжении всего цикла, в то время как многие батареи теперь используют оптимизированную процедуру зарядки, которая изменяет скорость в зависимости от того, насколько батарея близка к полной зарядке. Поскольку создание ровного литий-металлического слоя очень чувствительно к количеству литиевых носителей заряда, осаждаемых на электроде, вполне вероятно, что можно будет достичь еще лучших характеристик.
