Новые аккумуляторные батареи откроют новую эру твердотельных батарей

Для перехода на возобновляемые источники энергии необходимы батареи, которые смогут накапливать электроэнергию в процессе ее производства зеленой энергетикой и отдавать, когда выработка не может осуществляться,  чтобы  сглаживать возникающие перепады в сети. Литий-ионные батареи в настоящее время являются пока лучшим вариантом, но они не достаточно энергоемки для компенсации больших перепадов мощности в электрической  сети.

1) Полностью твердотельная батарея состоит из катодного композитного слоя, слоя сульфидного твердого электролита и безуглеродного микрокремниевого анода. 2) Перед зарядкой дискретные микрочастицы кремния составляют энергоемкий анод. Во время зарядки аккумулятора положительные ионы лития перемещаются от катода к аноду, и образуется стабильная двухмерная граница раздела. 3) По мере того, как все больше ионов лития перемещается в анод, он вступает в реакцию с микрокремнием, образуя взаимосвязанные частицы литий-кремниевого сплава (Li-Si). Реакция продолжает распространяться по электроду. 4) Реакция вызывает расширение и уплотнение микрочастиц кремния, образуя плотный электрод из сплава Li-Si. Механические свойства сплава Li-Si и твердого электролита играют решающую роль в поддержании целостности и контакта вдоль двухмерной межфазной плоскости.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего в сотрудничестве с LG Energy Solutions  пробуют решить насущную потребность в энергоемких батареях,  разработав твердотельную батарею с кремниевым анодом.

В литий-ионных батареях в качестве анода  или отрицательного электрода используется графит, покрытый медной фольгой.  Хотя эта система работает хорошо, но для использования ее в авиации и для аккумуляции энергии в электросети, требуются  накопители  с более высокой плотностью энергии. Ученые всего мира работают над решением этой проблемы, и, как ни странно, но простой кремний - является потенциальным ответом.

Теоретически кремний в качестве анода в литий-ионной батарее может обеспечивать в 10 раз большую энергоемкость, чем графит, используемый  в настоящее время.  Практика же показала, что кремний работает в батареях отвратительно.

К сожалению, кремний вступает в реакцию с жидкими электролитами в батареях и имеет свойство  расширяться и сжиматься во время циклов зарядки и разрядки. Это приводит к потере емкости в течение определенного периода времени, теряя преимущество, которым обладает кремний. 

Чтобы решить эту проблему, исследователи  из Калифорнийского университета в Сан-Диего заменили  жидкий электролит твердым электролитом на основе сульфида.  Кроме того, они также удалили углеродные и полимерные связующие, которые ранее использовались с кремниевыми анодами, тем самым полностью исключив нежелательные реакции между анодом и электролитом, которые ранее также приводили к потере емкости. 

Таким образом, использование в батарее кремниевого анода с твердотельным анодом дает возможность получить более высокую объемную плотность энергии, более низкие затраты и более безопасные батареи, особенно для хранения энергии и поддержки стабилизации частоты в энергосистеме.

«Подход на основе твердотельного кремния преодолевает многие ограничения имеющиеся в обычных батареях», - отмечают авторы статьи, опубликованной в  Science. «Это открывает для нас захватывающие возможности удовлетворить рыночный спрос на более высокую плотность энергии в твердотельных аккумуляторах.»

Компания LG Energy Solutions, партнер по исследованиям, планирует массовое производство новых твердотельных батарей к 2027 году.