Новая технология для аккумуляторов увеличит запас хода электромобилей

Вскоре может появиться технология, которая значительно увеличит запас хода и сократит время зарядки аккумуляторов электромобилей. Ее суть заключается в замене графита, обычно используемого на отрицательно заряженных анодах литий-ионных аккумуляторов электромобилей, на кремний.

Panasonic недавно объявила о партнерстве с компанией Sila Nanotechnologies, производящей кремниевые аноды, с целью интеграции этой технологии в существующую линию по производству аккумуляторов компании в 2024 году.

В 2023 году было продано более 14 миллионов электромобилей, и ожидается, что в ближайшие годы их популярность вырастет. В настоящее время в этих автомобилях используются высокопроизводительные литий-ионные аккумуляторы.

«Способность аккумулятора хранить энергию в зависимости от его размера и веса, известная как плотность энергии, является ключевым фактором для электромобилей, поскольку она влияет на расстояние, которое они могут преодолеть на одном заряде, — говорит Азин Фахими, главный научный сотрудник в Sienza Energy US, который возглавляет команду, работающую над реализацией кремниевого анода. - Еще одним важным аспектом является плотность мощности, которая показывает, насколько быстро батарея может поставлять энергию».

Батареи основаны на движении заряженных частиц, известных как ионы, между электродами или двумя электрическими проводниками. Во время зарядки ионы лития перемещаются от положительного электрода (катода) через проводящий раствор, называемый электролитом, к отрицательному электроду (аноду), где они сохраняются до тех пор, пока не потребуется энергия.

«Когда батарея обеспечивает питание устройства, ионы лития возвращаются от анода к катоду, — поясняет Фахими. - Это движение ионов позволяет электронам течь через внешнюю цепь, генерируя электрический ток, который питает устройство».

Поскольку ионы сохраняются на аноде до тех пор, пока они не потребуются для питания автомобиля, материал анода играет решающую роль в работе аккумулятора.

«Хороший анодный материал должен обладать высокой емкостью хранения лития, чтобы обеспечить высокую плотность энергии, хорошей электропроводностью, чтобы способствовать эффективному потоку электронов, и быстрым транспортом ионов для возможности быстрой зарядки», — говорит Фахими. Анод также должен иметь стабильную структуру, объем которой не меняется при вхождении и выходе ионов, поскольку это может повредить поверхность.

Традиционно в литий-ионных батареях используются графитовые аноды. Слоистая структура этого проводящего материала означает, что ионы могут перемещаться в анод и из него без существенного изменения его объема.

Однако, благодаря своему химическому составу, кремний может содержать более чем в десять раз больше энергии на грамм. Более высокая емкость означает, что кремний может хранить больше ионов лития, что приводит к более высокой плотности энергии батареи.

К сожалению, при наполнении ионами лития кремний разбухает в три-четыре раза по сравнению с первоначальным размером, что приводит к механическому напряжению и возможной деградации материала анода.

Поэтому тщательное наноразмерное проектирование кремниевого анода имеет решающее значение для решения этой проблемы.