Литий-металлический электрод может увеличить удельную энергию элемента литиевого аккумулятора на 35 процентов и плотность энергии на 50 процентов. Это позволит создавать аккумуляторные батареи, которые могут обеспечить 350 или 400 ватт-часов на килограмм и 1000 ватт-часов на литр. Текущие литий-ионные аккумуляторы имеют удельную энергию около 150 Вт ч /кг и плотность энергии ближе к 250 Вт ч /л.
Большой прорыв аккумуляторов может привести к появлению электромобилей, которые могут работать дольше от одной зарядки и быть безопаснее в эксплуатации. Также более качественные батареи для энергосистемы могут хранить больше энергии, что позволяет использовать больше энергии ветра и солнца.
При создании литий-ионной батареи исследования заключались в том, чтобы, научно перебирая периодическую таблицу элементов найти комбинации материалов, которые бы обеспечивали дешевую, долговечную и безопасную батарею. На сегодняшний день на рынке доминируют ионно-литиевые аккумуляторы. Основная причина, по которой они настолько мощные и энергоэффективные, состоит в том, что они заполнены высокореактивными и легковоспламеняющимися материалами, особенно оксидами лития и металла. Правильное сочетание элементов, было балансом между получением полезной батареи и достаточно мощного взрывного устройства.
На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы повсюду: их можно увидеть в гаджетах, транспортных средствах, роботах и хранилищах электрических сетей. Мировое производство в настоящее время составляет около 160 гигаватт-часов в год. За данную революционная технология три ее ведущих разработчиков получили Нобелевскую премию по химии в 2019 году.
В то время как литий-ионные батареи находятся в историческом масштабе, исследователи также усердно работают над поиском того, какие новые технологические решения будут реализованы в перспективных батареях.
Новое – подзабытое старое
Последователем литий-ионной батареи может быть литий-металлическая батарея. Она была разработана еще в 1970-х годах М. Стэнли Уиттингемом, тогдашним химиком в Эксоне. Металлический литий привлекателен как материал батареи, потому что он легко теряет электроны и положительно заряженные ионы лития. Но разработка Уиттингема оказался слишком сложной для коммерциализации: литий обладает высокой реакционной способностью, а дисульфид титана, который он использовал для катода, был достаточно дорогим. Уиттингем и другие исследователи добавили графит к литию, позволяя литию интеркалировать, тем самым снижая его реакционную способность, и применили более дешевые материалы для катода. И так родилась литий-ионная батарея. По тем временам казалось, что батареи с литий-металлическими анодами должны оставаться интересным промежуточным шагом на пути к ионам лития. Но ведь потенциал имеется, он востребован и пока не реализован.
Однако добиться прорыва в области батарей непросто. Ученые всего мира работают над решением проблем аккумулятора с литий-металлическим электродом. В настоящее время ведутся интенсивные исследования в этом направлении в крупных аккумуляторных конгломератах, государственных лабораториях и стартапах.
Новый век – новые решения
Исследователи из XNRGI, базирующаяся в Bothell, Wash., стремится вывести литий-металлические батареи на промышленную основу. Его ученым удалось укротить реакционную способность металлического лития, поместив его в кремниевую подложку, покрытую тонкими пленками с вытравленными миллионами крошечных ячеек. Трехмерная подложка значительно увеличивает площадь поверхности анода по сравнению с традиционным двухмерным анодом с ионами лития. По словам Криса Д'Куто, генерального директора XNRGI, если учитывать использование металлического лития вместо соединения, то анод XNRGI в 10 раз превосходит емкость традиционного интеркалированного графит-литиевого анода.
В этом году компания рассчитывает начать коммерческое производство своих литий-металлических батарей в небольших объемах для отгрузки покупателям электромобилей и бытовой электроники. XNRGI также ориентирован на хранение энергии.
Конечно, новые аккумуляторные технологии анонсируются постоянно, и технические новостные агентства более чем рады рекламировать свои многообещающие возможности. Но относительно небольшое количество аккумуляторов, которые кажутся многообещающими или даже революционными в лаборатории, на самом деле не попадают на рынок.
Коммерциализация любой новой батареи - сложная перспектива. Это зависит от того, сколько показателей исследователи пытаются удовлетворить. Так, например, для электромобиля идеальная батарея должна обеспечивать пробег в несколько сотен километров, время зарядки, измеряемое в минутах, широкий диапазон рабочих температур, 10-летний жизненный цикл и безопасность при столкновениях. И конечно же, низкая стоимость.
Чем больше у показателей необходимо реализовать, тем сложнее будет удовлетворить их новым аккумуляторным технологиям. Поэтому приходится идти на компромисс - возможно, батарея прослужит 10 лет, но пробег будет ограничен, и она не будет заряжаться так быстро как хотелось. Разные приложения будут иметь разные показатели, но индустрия хочет смотреть только на те новые батареи, которые по крайней мере так же хороши, как и те, которые уже доступны и будут иметь дополнительные преимущества.
Коммерциализировать аккумуляторы XNRGI было непросто, но несколько факторов дали компании шанс. Вместо того, чтобы изобрести новый метод производства, они заимствовали те же проверенные методы, которые производители микросхем используют для создания интегральных микросхем. К ним относятся травление полостей размером 20 на 20 микрометров в кремнии и нанесение тонких пленок. Отсюда и название батареи: PowerChip.
При этом каждая из этих микроскопических клеток может считаться микробатарейкой. В отличие от катастрофического сбоя, который происходит, когда пробивается литий-ионная батарея, сбой в одной ячейке PowerChip не распространяется на окружающие ячейки. Предполагается, что клетки также препятствуют образованию дендритов, нитевидных наростов, которые могут привести к выходу батареи из строя.
Некоторые ароматы литий-ионных аккумуляторов, такие как Enovix, Nexeon, Sila Nanotechnologies и SiON Power, также обеспечивают лучшую производительность за счет замены части или всего графита в аноде кремнием. В анодах этих батарей литий интеркалируется с кремнием, образуя Li 15 Si 4 .
В PowerNhip XNRGI кремниевая подложка имеет проводящее покрытие, которое действует как токосъемник и диффузионный барьер, препятствующий взаимодействию кремния с литием. При этом емкость литий-металлического анода примерно в пять раз больше, чем у кремниевых интеркалированных анодов.
XNRGI продолжает экспериментировать с конструкциями катодов, которые могут идти в ногу со своими перегруженными анодами. В настоящее время компания использует катоды, изготовленные из оксида лития-кобальта и никель-марганца-кобальта, что может позволит создать аккумулятор с удвоенной емкостью по сравнению с традиционными ионами лития. Также предполагается, что альтернативные материалы, такие как сера, могут еще больше повысить эффективность катода. Наличие высокопроизводительного анода без соответствующего высокопроизводительного катода не максимизирует полный потенциал батареи, - значит имеется еще колоссальный запас на дальнейшее совершенствование. В аккумуляторах, как и в жизни, всегда найдется место для улучшения
Новые решения – новые проблемы
Литий-металлический электрод в сочетании с исследованиями, направленными на то, чтобы сделать электролит аккумуляторной батареи из твердых материалов (вместо жидкости), может однажды привести к замене литий-ионной батареи на новую, обладающую поразительными возможностями. Твердый электролит сделает батарею менее огнеопасной и более безопасной в эксплуатации.
Однако добиться прорыва в области батарей непросто. Ученые всего мира с 1960-х годов работают над литий-металлическим электродом, и в настоящее время ведутся исследования в крупных аккумуляторных конгломератах, государственных лабораториях и стартапах.
Альянс Renault-Nissan-Mitsubishi объявил о стратегических инвестициях в Ionic Materials с надеждой на разработку нового поколения электромобилей. Твердотельные аккумуляторы являются святым Граалем для электромобилей из-за их высокой плотности энергии и улучшенных тепловых характеристик. Toyota, Fisker и другие тоже стремятся раскрыть потенциал твердотельных аккумуляторов.
На сегодняшний день существуют небольшие литий-металлические батареи, которые используются в медицинской промышленности, но еще никто не смог масштабировать батареи до такой степени, чтобы они могли питать автомобиль или хранить энергию для солнечной фермы и продавать их в коммерческих целях.
Ученые определили, что при наличии подходящих недорогих деталей литий-металлические аккумуляторные батареи могут стоить 100 долларов за киловатт-час. Поддержание низкой стоимости - ниже, чем у ионно-литиевых батарей - будет ключом к созданию новой перспективной батареи.
По прогнозам, предполагается, что в отличие от некоторых аккумуляторных технологий, которые могут занять всего несколько лет для широкого распространения, например, таких как использование кремния для анода литий-ионного аккумулятора, широкое использование литий-металлической батареи может быть на протяжении около десяти лет.
Разработки литий-металлических батарей развиваются стремительно
Большой прорыв аккумуляторов может привести к появлению электромобилей, которые могут работать дольше от одной зарядки и быть безопаснее в эксплуатации. Более качественные батареи для энергосистемы могут хранить больше энергии, что позволит шире использовать энергию ветра и солнца.
«Существует всемирная гонка за подобные концепции», - сказал Пол Альбертус, программный директор ARPA-E, программы Министерства энергетики США, которая фокусируется на ранних стадиях, потенциально важных энергетических исследований.
В последние годы программа ARPA-E запустила программу накопления энергии под названием IONICS, которая выделяет гранты для исследований на ранних стадиях в таких областях, как литий-металлический электрод. Компании, использующие гранты ARPA-E для работы на литий-металлическом электроде, включают 24M , Ionic Materials , PolyPlus Battery Company и Университет штата Айова.
