Возможности увеличения емкости аккумуляторов с помощью новых технологий и материалов
- Влияние химического состава на параметры АКБ
- Новые разработки
- Подробнее об использовании кремниевого анода
Изобретение Li-ion элементов питания обеспечило значительный скачок в развитии аккумуляторных технологий. Большая удельная емкость, номинальное напряжение 3,7 В на ячейку, отсутствие эффекта памяти, ресурс более 1000 циклов и другие преимущества обеспечили литий-ионным батареям рекордную популярность. Но исследователи не останавливаются на достигнутом и продолжают экспериментировать, стремясь добиться еще большего увеличения емкости АКБ и улучшения остальных параметров.
Ученые изучают новые материалы и их свойства, экспериментируют с составом катода и анода, используют электропроводные добавки для повышения проводящих свойств активной массы. Многочисленные исследования сегодня направлены на то, чтобы аккумуляторы дольше держали заряд, не теряли запас емкости в процессе эксплуатации, обеспечивали стабильную токоотдачу. Благодаря этому Li-ion аккумуляторы с каждым годом становятся все более совершенными.
Влияние химического состава на параметры АКБ
В зависимости от используемых анодных и катодных материалов Li-ion аккумуляторы имеют разные характеристики. Например, оксиды кобальта в составе катода (LiCoO2, LiNiCoAlO2) обеспечивают им высокое номинальное напряжение (3,7 В) и большой запас емкости – до 3600 мАч при стандартном размере 18650. Оксиды марганца (LiMn2O4) используются при производстве высокотоковых элементов. Смешанные оксиды и фосфаты позволяют улучшить рабочие параметры аккумуляторов. Так, использование оксида LiNiMnCoO2 обеспечивает одновременно и хороший запас емкости, и высокую токоотдачу.
Использование катода из литий-железо-фосфата (LiFePO4) стало еще одним достижением в развитии аккумуляторных технологий. Элементы питания этого типа имеют отличные эксплуатационные характеристики и подходят для жестких условий работы. Они морозоустойчивы, имеют высокие токи разряда и заряда, отрабатывают более 2000 циклов без снижения емкости и имеют номинальный вольтаж 3,2 В.
Новые разработки
Ученые всего мира озадачены тем, как увеличить емкость АКБ без снижения остальных характеристик. Например, исследователи POSTECH и Университета Соганг в Южной Корее работают над созданием многослойного материала для анода на основе полимеров. Они рассчитывают, что новый материал обеспечит 10-кратное увеличение емкости аккумуляторов по сравнению с моделями, имеющими анод из графита. В перспективе такие АКБ позволят значительно увеличить расстояние пробега электромобилей и другого транспорта на электротяге, а заряжать их нужно будет в 10 раз реже.
Южнокорейские химики, материаловеды и биомолекулярные инженеры POSTECH и Университета Соганг в помощь аккумуляторам разработали стабильный и надежный полимерный материал. Вместо графита они решили использовать кремниевый анод, дополненный многослойно заряженными полимерами. Результаты исследования, связанного с применением Si-анода, ученые опубликовали в Advanced Functional Materials.
Подробнее об использовании кремниевого анода
Применение Si-анода обеспечивает отличную возможность для увеличения емкости Li-ion аккумуляторов. С другой стороны, емкие анодные материалы, взаимодействуя с ионами лития, склонны к значительному объемному расширению. Это негативно отражается на производительности, стабильности и безопасности АКБ. Для решения этой проблемы ученые предложили использовать полимерные связующие, препятствующие объемному расширению анода.
Для химического сшивания компонентов используется ковалентная межмолекулярная связь полимера. Чтобы сделать связи между молекулами восстанавливаемыми, применяются обратимые водородные связи и преимущества кулоновских сил. Для эффективного связывания с анодом слоистые полимеры чередуются с положительными и отрицательными зарядами. Это позволяет контролировать объемное расширение анода.
Для регуляции физических свойств материалов и лучшего внедрения ионов лития исследователи дополнительно ввели в состав полиэтиленгликоль. И хотя такие накопители энергии еще находятся в стадии разработки, в перспективе они могут стать очередным ноу-хау и сделать персональный электротранспорт еще более комфортным в эксплуатации.
Читайте в предыдущей статье блога VirtusTec о зарядных станциях для АКБ радиомоделей.
