Литий металлические батареи что это
Перспективные батареи GM станут литий-металлическими
В своём стремлении к углеродно-нейтральному будущему концерн General Motors опирается на гибкую электромобильную платформу с приводом и батареями, объединёнными под маркой Ultium. Но хотя представлена эта платформа год назад, первые электрокары с такой начинкой (GMC Hummer EV) поступят в продажу лишь к концу 2021 года. А концерн GM уже обрисовал, какими станут аккумуляторы Ultium следующего поколения. Это ячейки с металлическим литием. General Motors анонсировал соглашение об их совместной разработке с компанией SolidEnergy Systems (SES).
Президент GM Марк Рейсс заявил: «Благодаря химическому составу Ultium следующего поколения мы находимся на пороге уникального повышения плотности энергии и снижения стоимости. В обеих категориях есть ещё возможности совершенствования, и мы намерены внедрять инновации быстрее, чем любая другая компания в этой сфере».
Несмотря на ряд трудностей и сомнений, связанных с технологией твердотельных батарей, тема очень популярна. К ней обращаются и мелкие компании (Rivian, Fisker), и гиганты (Toyota на пару с Панасоником и Volkswagen с QuantumScape). В компании SES разработали свою вариацию подобной ячейки, в которой анодом является ультратонкий слой лития, отделённый от катода слоем безопасного электролита (потому такие батареи разработчики называют Li-Metal).
Заявленные удельные параметры ячеек Li-Metal от SES: 400–500 Вт•ч/кг и более 1000 Вт•ч/л против 200–260 Вт•ч/кг и 700 Вт•ч/л у обычных литиево-ионных элементов, составляющих аккумуляторы современных электрокаров. Эти достижения не обошлись без вливаний концерна: отделение GM Ventures начало инвестировать в SolidEnergy Systems ещё шесть лет назад. Теперь американцы говорят о новом этапе сотрудничества. К 2023 году в рамках соглашения GM и SES планируют построить в Уобурне (штат Массачусетс) линию по производству предсерийных аккумуляторов большой ёмкости. В Уобурне находится штаб-квартира SES.
Леонид Попов, 15 марта в 12:15. Фото: General Motors, SES
Новая литий-металлическая батарея с рекордной двукратной плотностью энергии обеспечит огромный запас хода электромобилей
Литий-металлические батареи характеризуются высокой плотностью энергии и могут быть альтернативой литий-ионным. Но стабильность работы у них обычно низкая, потому что электродные материалы вступают в реакцию с обычными электролитными системами.
В новых исследованиях ученые использовали комбинацию слоистого катода с низким содержанием кобальта и богатого никелем (NCM88) с анодом из металлического лития и коммерчески доступным органическим электролитом (LP30). Но в то время как катод достигал высокой плотности энергии, возникла нестабильность, и емкость накопителя с увеличением числа циклов значительно уменьшалась.
В ходе исследований удалось установить, что при использовании электролита LP30 на катоде частицы разрушаются. Внутри возникающих трещин электролит вступает в реакцию и повреждает конструкцию. Кроме того, на аноде образуется толстый покрытый «мхом» слой, содержащий литий.
С целью устранения возникающих проблем электролит LP30 был заменен на нелетучий, трудновоспламеняемый электролит с дианион-ионной жидкостью (ILE).
В результате литий-металлический аккумулятор с катодом NCM88 и электролитом ILE достигает плотности энергии 560 ватт-часов на килограмм (Вт·ч / кг), что на сегодняшний день вдвое больше, чем у лучших в своем классе литий-ионных аккумуляторов. Его начальная емкость составляет 214 мАч / г катодного материала и сохраняет 88% емкости даже после 1000 циклов заряда и разряда. Средняя кулоновская эффективность, то есть соотношение между разрядной и зарядной емкостью, составляет 99,94%.
Еще предстоит проделать большую работу, чтобы превратить эти многообещающие результаты лабораторных исследований в реальность, а обеспечение стабильной работы батарей с такой высокой плотностью энергии может значительно расширить возможности электрического транспорта и других устройств с питанием от батарей.
В Германии создали литийметаллический аккумулятор с рекордной плотностью хранения энергии — вдвое лучше литийионного
Исследователи из Института Гельмгольца в Ульме (HIU) опубликовали в журнале Joule статью, в которой рассказали о перспективной комбинации катода и электролита литийметаллического аккумулятора. Новое решение позволит выпускать аккумуляторы с рекордной плотностью 560 Вт·ч/кг, что вдвое превосходит современные литиевые аккумуляторы. Но это ещё не всё. Новые батареи сохраняют 88 % ёмкости даже после 1000 циклов заряда и разряда.
Источник изображения: Amadeus Bramsiepe, KIT
Давно не секрет, что литий-металлические аккумуляторы превосходят литийионные по плотности хранения энергии, но стабильность первых оставляет желать лучшего. В процессе заряда и разряда традиционные электроды с высоким содержанием кобальта покрываются микротрещинами, в которые проникает электролит и усугубляет разрушения. Необходимо было найти такое сочетание материалов электродов с электролитом, которое не вызывало бы разрушений батареи и потерю ёмкости
В ходе экспериментов выход был найден в особой слоистой структуре катода литийметаллического аккумулятора с низким содержанием кобальта. Фактически в материале нового катода было необычно высокое содержание никеля (NCM88). Также вместо традиционного электролита LP30 на основе органических соединений был взят нелетучий и негорючий жидкий электролит с двумя анионами (ILE). Сочетание NCM88-катода и электролита ILE показало себя крайне перспективным, позволив как добиться рекордной плотности хранения энергии, так и низкого износа аккумулятора в процессе работы.
Сравнение старого и нового катодов при 1000 циклов заряда и разряда. Источник изображения: Fanglin Wu und Dr. Matthias Künzel, KIT/HIU
Кулоновский КПД, который показывает соотношение между извлеченной и запасаемой мощностью, в среднем составил 99,94 %. «Поскольку представленная батарея также отличается высоким уровнем безопасности, — говорится в пресс-релизе учреждения, — исследователи из Карлсруэ и Ульма сделали важный шаг на пути к углеродно-нейтральной мобильности».
Создана литий-металлическая батарея с рекордной удельной ёмкостью
От литий-ионной литий-металлическая ячейка отличается материалом анода: здесь используется не графит, а металлический литий, который может накапливать в 10 раз больше энергии. Камень преткновения на пути к коммерческому использованию таких батарей — комплексные реакции вокруг анода, в том числе образование дендритов лития. Эту проблему решают разными способами — например, добавлением к аноду смолистого углеводорода гильсонита, — но в HIU обошлись лишь заменой электролита.
Первые лабораторные опыты учёные провели с использованием многослойного обогащенного никелем катода NCM88 и коммерчески доступного электролита LP30 на основе органических соединений. Однако такое сочетание вызывало растрескивание катода и образование мохоподобного литийсодержащего слоя на аноде, а после тысячи циклов перезарядки остаточная емкость ячейки составила всего 36,9 процента от первоначальной.
Замена LP30 на трудновоспламеняемый двуханионный жидкий электролит ILE значительно сократила структурные модификации катода, и учёным удалось получить приемлемые параметры. Так, удельная емкость литий-металлической ячейки достигла 560 ватт-часов на килограмм. Для сравнения: литий-ионные обладают ёмкостью в 285, твердотельные — в 400–500 ватт-часов на килограмм, и только для экзотических литий-серных и литий-диоксид углеродных ячеек заявлены несколько тысяч ватт-часов.
Не менее важно также то, что после 1000 циклов зарядки ячейка HIU сохранила 88 процентов емкости, а её кулоновская эффективность (отношение отданных ампер-часов к ампер-часам, полученным от зарядного устройства) составила 99,94 процента при коммерчески жизнеспособных 99,9. Впрочем, до массового использования таких батарей ещё далеко. Однако General Motors уже объявила, что аккумуляторы Ultium следующего поколения будут литий-металлическими, с удельной емкостью 400–500 ватт-часов на килограмм.
Обнадеживающие перспективы литий-металлических батарей
В то время как литий-ионные батареи находятся в историческом масштабе, исследователи также усердно работают над поиском того, какие технологии батарей могут появиться дальше.
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.
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.
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.
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.
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.
