Прорив у батареях: технологія сухих електродів обіцяє довший хід і швидшу зарядку електромобілів
Південнокорейські дослідники розробили нову технологію виробництва сухих електродів з гранул графіту з контрольованою формою для анодів акумуляторів електрокарів.
Розробкою займались науковці з Корейського інституту матеріалознавства (KIMS) та Корейського науково-дослідного інституту електротехніки (KERI). Спільно розроблена технологія дозволяє збільшити запас ходу електрокарів, скоротити час заряджання акумуляторів та знизити виробничі витрати.
"Ця технологія являє новий підхід для подолання обмежень традиційних процесів з використанням сухих електродів на основі ПТФЕ. Ми очікуємо, що вона отримає широке використання в батареях для електрокарів наступного покоління, яким необхідна висока щільність енергії та швидке заряджання", - зазначає старша наукова співробітниця KIMS Джіхі Юн.
Автовиробники вже доволі давно розглядають виробництво сухих електродів як перспективне рішення для акумуляторів електрокарів. Новий підхід повністю виключає стандартний процес з використанням мокрої суспензії, дозволяючи автовиробникам скоротити виробничі площі та викиди CO₂ внаслідок відмови від використання токсичних хімічних розчинників та енергомістких промислових печей.
Ключовою проблемою було використання політетрафторетилену (ПТФЕ), сполучного матеріалу, який погіршував експлуатаційні характеристики та негативно впливав на навколишнє середовище. Звичайним споживачам він більш відомий як тефлон. Він діє як мікроскопічний клей, скріплюючи сухі компоненти. Однак ПТФЕ належить до ПФАС - сімейства вічних хімікатів.
Він руйнується в агресивному електрохімічному середовищі анода акумулятора. У деяких регіонах світу він навіть перебуває під екологічною забороною. Досі вважалось, що виготовлення сухих електродів без використання ПТФЕ майже неможливе.
Південнокорейські дослідники замінили ПТФЕ на стандартну для галузі, екологічно чисту сполучну систему КМЦ-СБР, яка широко використовується у виробництві рідинних акумуляторів. Однак просто додавання клею виявилось недостатньо. Необхідно було повністю переробити самі сировинні матеріали.
В стандартних акумуляторах для анодів використовуються пластинчасті пласкі частинки графіту. Під час стиснення у сухих електродах ці пласкі частинки ідеально вирівнюються, нагадуючи щільно складену колоду карт. Це створює серйозні перешкоди для переміщення іонів літію, яким доводиться долати довгі, звивисті шляхи навколо країв пластин, щоб пройти повз електрод.
Для усунення проблеми дослідники застосували розпилювальне сушіння суспензії, яка містила графіт, провідні добавки та сполучні речовини. Це допомогло перетворити пласкі графітові пластівці на округлі композитні гранули.
Всередині цих гранул графітові пластівці орієнтовані випадковим чином на всіх напрямках. Ця випадкова внутрішня структура діє як багатосмугова магістраль для іонів. Замість відскакування від пласких поверхонь графіту, іони літія вільно рухаються різноспрямованими шляхами по всій товщині електрода. Такий вільний рух дозволяє виробникам створювати товстіші електроди з більшою місткістю у тому самому просторі, що збільшує запас ходу електрокарів.
"Експериментальні результати продемонстрували, що розроблений сухий анод продемонстрував чудові характеристики швидкого заряджання та тривалу стабільність за циклічної роботи порівняно з традиційними анодами на основі суспензії. Ця технологія значно покращила характеристики дифузії іонів літію в умовах високої щільності енергії, підтвердивши потенціал для створення акумуляторів високої місткості на основі товстих конструкцій електродів", - підкреслюють дослідники.
З рештою процес базується на стандартних сполучних речовинах КМЦ-СБР, які вже використовуються виробниками акумуляторів. Це дозволяє виробникам інтегрувати технологію без необхідності суттєвих змін у технологічних процесах.