Ученые в Германии представили новый тип волокнистых кремниевых анодов, которые способны значительно повысить энергетическую плотность литий-ионных аккумуляторов до 250%. Эта технология, разработанная в Центре исследований солнечной энергии и водорода Баден-Вюртемберга, обладает потенциалом изменить производительность батарей для электромобилей, потребительской электроники и систем хранения энергии из возобновляемых источников.
Проект, известный под названием FACILE, также объединил региональных партнеров, включая ISC Konstanz, Phoenix NonWoven GmbH & Co. KG и машиностроительную компанию Centrotherm international AG.
Как отметил член правления ZSW Маркус Хёльцле, проект FACILE демонстрирует, как промышленность и наука в Баден-Вюртемберге могут совместно охватить всю цепочку создания стоимости для литий-ионных аккумуляторов — от разработки материалов до производства элементов. Обычные литий-ионные элементы обычно используют графит для своих анодов, отрицательного электрода батареи. Однако графит, являющийся кристаллической формой углерода, может хранить только около трехсот семидесяти миллиампер-часов лития на грамм. Это ограничение по емкости долгое время сдерживало количество энергии, которое могут хранить современные аккумуляторы.
В отличие от графита, кремний теоретически может вмещать до четырех тысяч двухсот миллиампер-часов на грамм, что более чем в десять раз превышает емкость графита. Поскольку стоимость кремния и графита примерно одинакова, кремний предлагает многообещающее решение для создания доступных батарей с высокой энергоемкостью. Однако ключевой проблемой остается то, что при поглощении лития кремний расширяется до трехсот процентов. Это расширение приводит к растрескиванию, расслоению анодного покрытия и быстрому выходу аккумулятора из строя. В течение последнего десятилетия исследователи пробовали различные подходы, включая наноструктуры, тонкие пленки и композитные смеси, но масштабирование этих методов для массового производства остается сложной задачей.
Для решения этой проблемы немецкие исследователи разработали кремниевые аноды на гибких, электропроводящих нетканых волокнах, вместо традиционного метода, при котором кремниевый активный материал наносят в виде покрытия на жесткую металлическую фольгу. Эти волокнистые, электропроводящие нетканые подложки предназначены для того, чтобы принять объемные изменения кремния, одновременно помогая избежать трещин и отслоений, которые обычно происходят во время циклов зарядки и разрядки. Маркус Хёльцле пояснил, что инновационный подход направлен на разработку кремниевых анодов на гибких нетканых субстратах, которые могут компенсировать большие изменения объема материала. Цель исследователей — достичь практической емкости не менее одной тысячи миллиампер-часов на грамм, что, в свою очередь, увеличит фактическую плотность энергии анода как минимум на двести пятьдесят процентов.
Как сообщает Центр исследований солнечной энергии и водорода Баден-Вюртемберг, команда уже начала интегрировать новые аноды в небольшие тестовые элементы для оценки их производительности. Следующий этап будет включать анализ, доработку и масштабирование производственных процессов для изготовления больших аккумуляторных элементов, таких как те, что используются для питания электромобилей. Располагая несколькими пилотными производственными линиями и заводской производственной системой, способной производить литий-ионные элементы емкостью до ста ампер-часов, институт хорошо подготовлен для ускорения разработки. Исследователи уверены, что волокнистые кремниевые аноды могут позволить создавать более легкие батареи для электромобилей, обеспечивать больший запас хода и более устойчивое производство. Они также полагают, что эта технология может укрепить позиции Германии в создании аккумуляторов следующего поколения.