Производительность литий-ионных аккумуляторов будет иметь важное значение для упрощения и удешевления чистого перехода, что, в свою очередь, потребует нового поколения материалов для анодов в этих аккумуляторах. Один из лучших вариантов, композит кремний-окись-углерод, страдает от ряда нежелательных химических реакций. Новая технология подготовки этого анодного материала, по-видимому, окончательно решила проблему.
Поиск нового поколения материалов для анодов в литий — ионных батареях долгое время страдал от ряда побочных химических реакций для многих предлагаемых заменителей графита, который обычно используется. Новый метод подготовки композитного материала монооксид кремния-углерод, похоже, наконец-то обеспечит желаемое повышение эффективности без нежелательных побочных реакций.
Статья с описанием процесса появилась в журнале Nano Research .
С конца 1990-х годов большинство производителей литий-ионных аккумуляторов использовали графит в качестве анода аккумулятора (отрицательный вывод, через который в аккумулятор поступает электрический ток ), заменив коксующийся уголь. Переход от кокса к графиту, форме углерода, был сделан из-за его долговременной стабильности в течение многих циклов перезарядки и разрядки.
Но чтобы еще больше улучшить характеристики литий-ионных аккумуляторов (и тем самым сделать переход от ископаемого топлива более дешевым и более осуществимым), производителям аккумуляторов потребуются еще более совершенные аноды.
Одним из широко рекламируемых анодных материалов для замены графита являются соединения на основе кремния из-за их высокой удельной емкости (скорости разряда) и распространенности в земной коре. В частности, монооксид кремния показал большие перспективы для следующего поколения мощных литий-ионных аккумуляторов .
Несмотря на это обещание, монооксид кремния сам по себе также имеет ряд недостатков, не в последнюю очередь присущую ему низкую проводимость и значительное изменение размера (объема) в ходе циклов перезарядки и разрядки. Эти изменения объема до 300 процентов приводят к разрушению и осыпанию материалов анода, радикально снижая производительность.
«Однако, если монооксид кремния соединить в композитном материале с углеродом — своего рода смесь между существующим графитовым анодным материалом и анодом следующего поколения на основе кремния, мы могли бы стать победителем», — сказал Чжэнвэнь Фу, соавтор исследования и электрохимик Шанхайской ключевой лаборатории молекулярного катализа и инновационных материалов Университета Фудань. «Композит предлагает лучшее из обоих миров. Но даже здесь есть много препятствий, которые нужно преодолеть».
Углерод обладает преимуществом высокой электропроводности и вышеупомянутой структурной стабильности, а также испытывает гораздо меньшее объемное расширение во время циклирования. Его гибкость и смазывающая способность также препятствуют объемному расширению кремния. В целом композитный анод обеспечивает хорошую емкость и высокую цикличность.
К сожалению, решение одной проблемы породило другую: композитные аноды из моноокиси кремния и углерода имеют относительно низкую кулоновскую эффективность. Кулоновский КПД, иногда называемый КПД по току, относится к отношению общего электрического заряда, вложенного в батарею, к общему заряду, извлеченному из нее. (Кулон — это термин, используемый для описания единицы электрического заряда). Всегда будет меньше выниматься, чем вкладываться, но цель состоит в том, чтобы свести такие неизбежные потери к минимуму.
Кулоновская эффективность имеет особое значение для повышения производительности и снижения стоимости колоссального количества батарей, которые нам понадобятся для электрификации транспортных средств и систем хранения энергии для резервного копирования переменных источников возобновляемой энергии, таких как ветер и солнце.
Во время самого первого цикла литий-ионной батареи с использованием композитного анода из моноокиси кремния и углерода часть лития необратимо реагирует с композитом, образуя «продукты разложения», которые образуют слой между поверхностью анода и электролитом, называемый твердым. электролитная межфазная фаза, или SEI. Этот паразитный процесс «литирования», в свою очередь, приводит к потере активного лития, а также кулоновской эффективности.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи разработали новый метод «предварительного литиирования», при котором они заранее сохраняют дополнительный литий в батарее, чтобы компенсировать литий, потребляемый паразитными реакциями во время циклирования батареи. Другие исследователи разработали свои собственные методы предварительного литиирования, обычно с использованием чистого металлического лития, модифицированного металлического лития или соединения, содержащего литий.
Все эти подходы имеют свои ограничения. Например, соединения, содержащие литий, имеют тенденцию выделять газ после литирования во время циклирования, что снижает производительность анода и плотность энергии батареи в целом.
Новый метод предварительного литиирования, который исследователи называют «твердофазной коррозией лития», устраняет такие проблемы, заменяя жидкий электролит (среда на основе лития, которая обеспечивает перенос ионов между анодом и его положительным аналогом, т.е. катод батареи) с твердым электролитом, состоящим из оксинитрида лития-фосфора с включенным углеродом, или LiCPON. Таким образом не только избегаются различные нежелательные побочные реакции, связанные с металлическим литием, но и создается лучший интерфейс между анодом и электролитом.
Исследователи смогли выяснить, работает ли их процесс предварительного литирования в твердой фазе с помощью оптической визуализации, электронной микроскопии и рентгеновской дифракции — трех различных методов наблюдения за электрохимическими реакциями в режиме реального времени. Этот метод дал аноду почти 83%-ное усиление по сравнению с электродом с предварительным литированием, использующим жидкий электролит.
Доказав свою концепцию «плоских монет» — небольших батарей, предназначенных для лабораторных исследований и разработок, исследователи теперь хотят продемонстрировать этот процесс с батареями промышленного класса.
