Инженеры создали новый тип батареи, который объединяет два перспективных под-поля батареи в одну батарею. Батарея использует как твердотельный электролит, так и полностью кремниевый анод, что делает ее полностью кремниевой твердотельной батареей. Первые раунды испытаний показывают, что новая батарея безопасна, долговечна и обладает высокой энергопотреблением. Она перспективна для широкого спектра применений — от сетевых хранилищ до электромобилей.
Технология аккумуляторной батареи описана в выпуске журнала Science от 24 сентября 2021года. Наноинженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего руководили исследованием в сотрудничестве с исследователями LG Energy Solution.
Кремниевые аноды славятся своей плотностью энергии, которая в 10 раз превышает графитовые аноды, наиболее часто используемые в современных коммерческих литий-ионных батареях. С другой стороны, кремниевые аноды печально известны тем, как они расширяются и сжимаются при зарядке и разрядке батареи, а также тем, как они разлагаются при взаимодействии с жидкими электролитами. Эти проблемы исключили полностью кремниевые аноды из коммерческих литий-ионных аккумуляторов, несмотря на дразнящую плотность энергии. Новая работа, опубликованная в журнале Science, открывает многообещающий путь для полностью кремниевых анодов благодаря правильному электролиту.
«С помощью этой конфигурации батареи мы открываем новую территорию для твердотельных аккумуляторов с использованием анодов из сплавов, таких как кремний», — сказал Даррен Х. С. Тан, ведущий автор статьи. Недавно он защитил докторскую диссертацию по химической инженерии в инженерной школе Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобса и стал соучредителем стартапа UNIGRID Battery, который лицензировал эту технологию.
Твердотельные аккумуляторы нового поколения с высокой плотностью энергии всегда основывались на металлическом литии в качестве анода. Но это накладывает ограничения на скорость заряда батареи и необходимость в повышенной температуре (обычно 60 градусов Цельсия или выше) во время зарядки. Кремниевый анод преодолевает эти ограничения, обеспечивая гораздо более высокую скорость заряда при комнатных и низких температурах при сохранении высокой плотности энергии.
Команда продемонстрировала полную ячейку лабораторной шкалы, которая обеспечивает 500 циклов зарядки и разрядки с сохранением емкости на 80% при комнатной температуре, что представляет собой впечатляющий прогресс как для кремниевого анода, так и для твердотельных аккумуляторов.
Кремний в качестве анода для замены графита
Кремниевые аноды, конечно, не новы. В течение десятилетий ученые и производители аккумуляторов рассматривали кремний как материал с высокой плотностью энергии для смешивания с обычными графитовыми анодами или полной замены их в литий-ионных батареях. Теоретически, кремний обеспечивает примерно в 10 раз больший объем хранения графита. Однако на практике литий-ионные аккумуляторы с добавлением кремния к аноду для увеличения плотности энергии как правило, страдают от проблем с производительностью в реальном мире: в частности, количество раз, когда аккумулятор можно заряжать и разряжать, при сохранении производительности недостаточно велико.
Большая часть проблемы вызвана взаимодействием между кремниевыми анодами и жидкими электролитами, с которыми они были сопряжены. Ситуация осложняется большим объемным расширением частиц кремния во время заряда и разряда. Это приводит к серьезным потерям мощности с течением времени.
«Как исследователям аккумуляторных батарей жизненно важно устранить коренные проблемы в системе. Что касается кремниевых анодов, мы знаем, что одной из главных проблем является нестабильность интерфейса жидкого электролита», — сказала профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ширли Мэн, автор-корреспондент научной статьи и директор Института открытия и проектирования материалов в Калифорнийском университете в Сан-Диего. «Нам нужен был совершенно другой подход», — сказал Мэн.
Действительно, команда под руководством университета Сан-Диего использовала другой подход: они исключили углерод и связующие вещества, которые шли с полностью кремниевыми анодами. Кроме того, исследователи использовали микрокремний, который менее обработан и дешевле, чем нанокремний, который чаще используется.
Полностью твердотельное решение
В дополнение к удалению всего углерода и связующих веществ с анода, ученые также удалили жидкий электролит. Вместо этого они использовали твердый электролит на основе сульфидов. Их эксперименты показали, что этот твердый электролит чрезвычайно стабилен в батареях с полностью кремниевыми анодами.
«Эта новая работа предлагает многообещающее решение проблемы кремниевого анода, хотя предстоит еще много работы», — сказал профессор Мэн. «Я рассматриваю этот проект как подтверждение нашего подхода к исследованиям батарей здесь, в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Мы сочетаем самую строгую теоретическую и экспериментальную работу с творчеством и нестандартным мышлением. Мы также знаем, как взаимодействовать с партнерами по отрасли, решая сложные фундаментальные задачи».
Прошлые усилия по коммерциализации анодов из кремниевых сплавов в основном были сосредоточены на кремниево-графитовых композитах или на сочетании наноструктурированных частиц с полимерными связующими. Но они все еще борются с плохой стабильностью.
Заменив жидкий электролит твердым электролитом и в то же время удалив углерод и связующие вещества с кремниевого анода, исследователи избежали ряда связанных с этим проблем, возникающих, когда аноды пропитываются органическим жидким электролитом во время работы батареи.
В то же время, устраняя углерод в аноде, команда значительно сократила межфазный контакт (и нежелательные побочные реакции) с твердым электролитом, избегая непрерывной потери емкости, которая обычно происходит с электролитами на жидкой основе.
Этот шаг, состоящий из двух частей, позволил исследователям в полной мере воспользоваться преимуществами низкой стоимости, высокой энергии и экологически безопасных свойств кремния.
Влияние и коммерциализация побочных эффектов
«Твердотельный кремниевый подход преодолевает многие ограничения, присущие обычным батареям. Это открывает перед нами захватывающие возможности для удовлетворения потребностей рынка в более высоких объемах энергии, снижении затрат и более безопасных батареях, особенно для хранения энергии в сетях», — сказал Даррен Х. С. Тан, первый автор научной статьи.
Твердые электролиты на основе сульфидов часто считались крайне нестабильными. Однако это было основано на традиционных термодинамических интерпретациях, используемых в системах с жидкими электролитами, которые не учитывали отличную кинетическую стабильность твердых электролитов. Команда увидела возможность использовать это противоречивое свойство для создания высокостабильного анода.
