Многоинституциональная исследовательская группа под руководством Хайлонга Чена из Технологического института Джорджии разработала новый экономически эффективный катод, который, как ожидается, значительно улучшит характеристики литий-ионных батарей (LIB) и произведет революцию на рынке электромобилей (EV) и крупномасштабных системах хранения энергии.
«Люди уже давно ищут более дешевый и более экологичный катодный материал для замены существующих катодных материалов. Я думаю, мы его нашли», — сказал Чен, доцент Школы машиностроения Джорджа Вудраффа и Школы материаловедения и инженерии.
Этот революционный материал — хлорид железа (FeCl3), стоимость которого составляет всего 1–2% от стоимости обычных катодных материалов, но он может хранить такое же количество электроэнергии. Катодные материалы влияют на емкость, энергопотребление и эффективность и играют важную роль в производительности, долговечности и экономичности аккумуляторов.
«Наш катод изменит правила игры и значительно улучшит рынок электромобилей и рынок литий-ионных аккумуляторов в целом», — сказал Чен. Его команда представила свою работу в журнале Nature Sustainability.
Sony впервые начала коммерческое использование литий-ионных аккумуляторов в начале 1990-х годов, что спровоцировало взрыв в сфере персональной электроники, такой как смартфоны и планшеты. Эта технология в конечном итоге превратилась в топливо для электромобилей, обеспечив надежный, перезаряжаемый источник энергии с высокой плотностью. Но в отличие от персональной электроники, крупные потребители энергии, такие как электромобили, особенно чувствительны к стоимости литиевых батарей.
В настоящее время на аккумуляторы приходится около 50% общей стоимости электромобилей, что делает эти автомобили, работающие на экологически чистой энергии, более дорогими, чем их аналоги с двигателем внутреннего сгорания, выделяющие парниковые газы. Изобретение команды доктора Чена может изменить эту ситуацию.
Делайте лучшие батареи
По сравнению со старыми щелочными и свинцово-кислотными батареями, литий-ионные батареи хранят больше энергии в меньшем объеме и могут дольше питать устройства между зарядками. Однако литиевые батареи содержат дорогие металлы, в том числе полудрагоценные металлические элементы, такие как кобальт и никель, и затраты на их производство высоки.
На сегодняшний день успешно коммерциализировано только четыре типа катодов для литиевых батарей. Технология доктора Чена станет пятой и представляет собой важный шаг вперед в аккумуляторных технологиях: разработка полностью твердотельных литий-ионных батарей.
Традиционные литий-ионные аккумуляторы используют жидкий электролит для транспортировки ионов лития для хранения и высвобождения энергии. Жидкие литий-ионные аккумуляторы имеют строгие ограничения на количество энергии, которую они могут хранить, а также могут вытечь и загореться. Но в полностью твердотельных литиевых батареях используются твердые электролиты, что значительно повышает эффективность и надежность батареи, делая ее более безопасной и способной хранить больше энергии. Эта батарея все еще находится на стадии разработки и тестирования, но она станет серьезным улучшением.
Пока исследователи и производители по всему миру пытаются воплотить в жизнь твердотельные технологии, Чен и его коллеги разработали доступное и устойчивое решение. С катодом из хлорного железа, твердым электролитом и литий-металлическим анодом вся их аккумуляторная система стоит всего 30-40% стоимости нынешних литиевых батарей.
«Это не только сделает электромобили намного дешевле, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания, но также предоставит новую и многообещающую форму крупномасштабного хранения энергии, которая повысит устойчивость сети. Кроме того, наш катод значительно улучшит устойчивость и стабильность цепочки поставок на рынке электромобилей», — сказал Чен.
Надежная отправная точка для новых открытий
Интерес Чена к FeCl3 как к катодному материалу проистекает из исследований в его лаборатории материалов твердых электролитов. Начиная с 2019 года его лаборатория пыталась создать твердотельные батареи с использованием твердых электролитов на основе хлоридов и традиционных коммерческих катодов на основе оксидов. Результаты не были гладкими — материалы катода и электролита были несовместимы.
Исследователи полагают, что катод на основе хлорида может лучше сочетаться с хлоридным электролитом, обеспечивая лучшую производительность батареи. «Мы нашли материал-кандидат (FeCl3), который стоило попробовать, поскольку его кристаллическая структура могла бы подходить для хранения и транспортировки ионов лития, и, к счастью, он функционировал так, как мы ожидали», — сказал Чен.
В настоящее время наиболее часто используемыми катодами в электромобилях являются оксиды, для производства которых требуется большое количество дорогостоящих никеля и кобальта. Эти тяжелые элементы могут быть токсичными и создавать проблемы для окружающей среды. Напротив, катод команды доктора Чена содержал только железо (Fe) и хлор (Cl) — элементы, которые широко распространены, дешевы и широко используются в стали и поваренной соли.
В ходе предварительных испытаний они обнаружили, что FeCl3 работает так же или даже лучше, чем другие, гораздо более дорогие катоды. Например, он работает при более высоком напряжении, чем обычно используемый катод LiFePO4 (литий-железо-фосфат, или LFP), что соответствует мощности, которую обеспечивает батарея при подключении к устройству, аналогично давлению воды в садовом шланге.
До коммерциализации электромобилей этой технологии, вероятно, осталось менее пяти лет. На данный момент исследовательская группа продолжит изучение хлорида железа и связанных с ним материалов. Работу возглавляли Чэнь и постдок Лю Чжантао, первый автор исследования. В число сотрудников входят исследователи из Школы Вудраффа (Тин Чжу) Технологического института Джорджии и Школы наук о Земле и атмосфере (Юаньчжи Тан), а также исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж (Цзюэ Лю) и Хьюстонского университета (Шо Чен).
«Мы хотим сделать материал максимально совершенным в лаборатории и понять его основные механизмы работы», — сказал Чен. «Но мы открыты для возможностей масштабирования технологии и продвижения ее в коммерческое применение».
Составлено из /ScitechDaily
DOI: 10.1038/s41893-024-01431-6