Исследователи из Сколтеха запатентовали инновационную технологию производства высококачественного феррофосфата лития — ключевого материала для литий-ионных аккумуляторов электромобилей, электробусов, систем резервного электроснабжения и накопителей энергии из возобновляемых источников.
В новом производственном процессе сферические частицы для последующего синтеза феррофосфата лития получают микроволновой распылительной сушкой вместо воздействия горячим воздухом. Полученный таким способом катодный материал имеет повышенный срок службы и позволяет конструировать литий-ионные аккумуляторы с более высокой энергоемкостью. Вдобавок альтернативный способ сушки экономит электроэнергию и время на производстве.
Литий-ионные аккумуляторы остаются главными источниками накопления энергии, в том числе в электротранспорте. Они подразделяются на типы в зависимости от материала катода. Конечно, свой вклад вносят и второй электрод аккумулятора — анод — и другие компоненты, но именно состав и структура катодного материала в первую очередь определяют конечные характеристики аккумулятора: энергоемкость, мощность, стоимость, безопасность и срок службы. Различные материалы катода выбираются в зависимости от области применения. Так, аккумуляторы на основе литий-никель-марганец-кобальт-оксидных катодов (NMC) имеют высокую энергоемкость, что делает их фаворитами для электромобилей с большим запасом хода.
«Мы совершенствуем технологию получения литий-железо-фосфатных катодных материалов (LFP) для литий-ионных аккумуляторов. Они дешевле, чем NMC, и служат дольше. Несмотря на более низкую плотность энергии, LFP применяется для аккумуляторов городских электромобилей, заточенных под поездки малой и средней дальности, а также для электробусов и вилочных погрузчиков», — рассказывает один из авторов патента, младший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха Эльвира Стюф.
«Кроме того, важен фактор безопасности, причем не только в электротранспорте, — добавляет соавтор патента, заслуженный профессор Центра энергетических технологий Сколтеха Артем Абакумов, солауреат премии «Вызов». — Аккумуляторы на основе литий-железо-фосфата более устойчивы к перегреву и меньше подвержены взрывам и возгораниям, даже при повреждении. Повышенная безопасность в сочетании с хорошими емкостными и мощностными характеристиками делают этот вид аккумулятора подходящим для нужд резервного питания при перебоях электроснабжения и накопления солнечной и ветряной энергии».
Запатентованный Сколтехом способ изготовления LFP позволяет получить материал в виде микрочастиц сферической формы, которая обеспечивает их более плотную упаковку, что позволяет создать литий-ионный аккумулятор с повышенной плотностью энергии: он будет запасать больше энергии в том же объеме.
LFP синтезируют путем высокотемпературной обработки прекурсора, то есть материала-предшественника. Последний имеет вид оранжевого порошка и получается распылением водной суспензии реагентов в потоке горячего воздуха. Мелкие капли суспензии мгновенно высыхают — остаются сферические частицы порошка. Оказывается, что если высушивать капли не горячим воздухом, а с применением микроволнового излучения, то все исходные вещества в каждой сферической частице будут распределены равномернее.
Это позволяет при последующей термообработке создать однородное углеродное токопроводящее покрытие, обволакивающее частицы материала, и достичь высокой электрохимической емкости и более стабильной работы катода. Кроме того, описанный в патенте способ производства материала быстрее и экономит около четверти той электроэнергии, которая обычно расходуется установкой для распылительной сушки горячим воздухом.
«Этот эффект объясняется тем, что прогрев распыляемых капель осуществляется из их центра к периферии за счет прямого воздействия микроволн, а не наоборот, как в случае сушки горячим воздухом, — объясняет соавтор изобретения старший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха Александра Савина. — Быстрое удаление воды из капель суспензии с помощью микроволнового излучения позволяет добиться равномерного распределения всех компонентов по объему сферических — или почти сферических — конгломератов прекурсора. В итоге в катодном материале образуется более разветвленная проводящая углеродная сеть. При традиционном подходе эта сеть не такая всепроникающая и попадаются более крупные непроводящие участки. Электропроводность катода критически важна для высокой энергоемкости аккумулятора и его устойчивой работы в течение долгого времени».