Корейский институт электротехнологических исследований (KERI) и Корейский институт материаловедения (KIMS) совместно разработали технологию производства высокопроизводительных сухих электродов на основе технологии распылительной сушки для реализации вторичных батарей высокой емкости. Исследование опубликовано в журнале Chemical Engineering Journal.
Электроды вторичной батареи изготавливаются путем смешивания активных материалов, которые хранят электрическую энергию, проводящих добавок, которые помогают потоку электричества, и связующих веществ, которые действуют как своего рода клей. Существует два метода смешивания этих материалов: мокрый процесс, который использует растворители, и сухой процесс, который смешивает твердые порошки без растворителей.
Сухой процесс считается более экологически чистым, чем мокрый, и привлек значительное внимание как технология, которая может увеличить плотность энергии вторичных батарей. Однако до сих пор существовало много ограничений для достижения однородной смеси активных материалов, проводящих добавок и связующих веществ в сухом процессе.
Чтобы решить эту проблему, KERI и KIMS применили технологию распылительной сушки, которая уже зарекомендовала себя для массового производства в пищевой и фармацевтической промышленности, к сухому процессу. Сначала исследователи KIMS смешали активные материалы и проводящие добавки в виде жидкой суспензии, а затем распылили их в высокотемпературной камере из стеклянных трубок.
Принцип заключается в том, что растворитель мгновенно испаряется из-за высокой температуры внутри камеры, оставляя только однородно смешанный композитный порошок активных материалов и проводящих добавок. Этот метод является тем же процессом, который используется в массовом производстве растворимого кофе в стиках, где кофейный концентрат распыляется и горячий воздух подается для получения твердого порошка.
Композитный порошок активных материалов и проводящих добавок, изготовленный с использованием техники распылительной сушки, был преобразован в электроды высокой емкости исследователями из KERI, которые обладают обширными знаниями и опытом в процессах с сухими электродами . Исследователи смешали композит активных материалов и проводящих добавок со связующими веществами, затем провели процесс, называемый фибрилляцией, в котором связующие вещества вытягиваются в нити с использованием специально разработанного оборудования.
Благодаря этому деликатному процессу активные материалы-проводящие добавки-связующие были лучше сплетены вместе в структуру и могли быть точно объединены. Наконец, исследователи прошли процесс каландрирования, где объединенные активные материалы, проводящие добавки и связующие были превращены в тонкую пленку с однородной плотностью, в конечном итоге производя электроды для батарей.
KERI и KIMS считают, что это достижение позволит реализовать высокую емкость во вторичных батареях. Благодаря этому становится возможным достичь оптимального смешивания между внутренними материалами вторичной батареи, уменьшая количество проводящих добавок по сравнению с предыдущими, и вместо этого заполняя это пространство активными материалами, которые напрямую связаны с емкостью батареи.
Исследователи, проводившие совместное исследование, радикально сократили количество проводящих добавок с диапазона 2–5%, указанного в существующей литературе по сухим электродам, до 0,1% путем многочисленных экспериментов. Они также успешно достигли мирового уровня 98% для содержания активных материалов.
Кроме того, сухие электроды, изготовленные с использованием этого метода, достигли поверхностной емкости около 7 мАч/см 2 , что вдвое больше, чем у коммерческих электродов (2–4 мАч/см 2 ). Соответствующие результаты исследований были признаны за их высокую технологическую экспертизу.
Старший научный сотрудник Центра исследований батарей нового поколения KERI Инсунг Хван объяснил значимость результатов исследования, заявив, что оптимальное сочетание материалов электродов может повысить плотность энергии и производительность, и что эта технология имеет большой потенциал, поскольку ее можно применять в аккумуляторах следующего поколения, таких как твердотельные аккумуляторы и литий-серные аккумуляторы.
Старший научный сотрудник Джихи Юн из отдела исследований конвергенции и композитных материалов KIMS заявила: «Благодаря последующим исследованиям мы планируем снизить производственные затраты, улучшить возможности массового производства и повысить зрелость технологии с целью ее последующей передачи компаниям».
