Емкость литийкислородных аккумуляторов будет больше обычных в 10 раз
Литиевые батареи эволюционируют благодаря нанопроводникам.
Литий-ионные батареи широко используются в электрических транспортных средствах, став в то же время объектом для исследований в области улучшения общей эффективности, долговечности и надежности. Новый тип электрода с нанопроводниками, разработанный специалистом по материалам и инженерии профессором Ю Кю (Yi Cui) из Стэнфорда, является следующим этапом развития этих характеристик. Новые электроды могут хранить в шесть раз больший заряд, нежели графитовые в существующих литиевых батареях, что прямо отражается на увеличении проходимого электромобилем пути на одном заряде.
Когда литиевый аккумулятор заряжен, ионы лития перемещаются от положительного электрода (катода) к отрицательному (аноду). Кремний является одним из многообещающих материалов для анода, потому как способен хранить более чем в 10 раз больше ионов по сравнению с графитом при той же массе. Но, поглощая заряд, кремний увеличивается в объеме до 4 раз, приходя в негодность после нескольких рабочих циклов.
На выручку приходят нанопроводники. Кю вместе с коллегами создал новый материал, разместив аморфный кремний на углеродных нанопроводниках. В результате последние обрели способность удерживать заряд около 2000 мАч на один грамм, тогда как для графитовых анодов этот показатель не превышает 360 мАч. К тому же углеродная основа делает электроды жесткими. Кю описывает преимущества: «Ионы лития также поглощаются углеродом, но его объем увеличивается на 10% или меньше». В ходе тестов нанопроводники легко выдержали 50 циклов перезарядки. Прежде исследователи пытались производить электроды из нанопроводников в виде чистого кристаллического кремния. Они втрое превосходили по эффективности графитовые, однако более 20 циклов не выдерживали.
Углероднокремниевые нанопроводники легки в изготовлении: отсутствует необходимость в высоких температурах, характерных для чисто кремниевых структур. «Углеродное нановолокно уже доступно как коммерческий продукт, который можно производить тоннами», - говорит Кю. Для использования в транспорте на электрической тяге электроды в литиевых батареях должны быть способны пройти, по меньшей мере, через 300 циклов перезарядки. В этом случае они смогут претендовать на конкурентоспособность.
В декабре 2008 года группа ученых из Ханьянского университета в Ансане (Hanyang University in Ansan), в Южной Корее, продемонстрировали кремниевые аноды с нанопорами, которые преодолели рубеж в 100 циклов. Возглавлявший работу химик Жефиль Чо (Jaephil Cho) охарактеризовал разработку как более совершенную относительно нанопроводников, поскольку на единицу объема приходится больше кремния, а значит, и заряда. Тем не менее, по его словам, «производство углеродных волокон легко расширить, поэтому технология Кю очень практична».
Тем временем компании General Motors и Applied Science также трудятся над анодами с нанопроводниками. Их методика предполагает покрытие углеродных нановолокон кремниевыми частицами в противоположность аморфному кремнию; их емкость составляет от 1000 до 1500 мАч на грамм. Возглавляющий исследования ГолэмАббас Назри (Gholam-Abbas Nazri) считает, что емкость анода можно увеличить путем утолщения кремниевого слоя, но наилучшая стабильность работы достигнута при 1000 мАч на грамм. Дальнейшее усовершенствование нуждается в разработке новых катодов.
Кю уверен в правильности выбора кремния в качестве материала для анода литиевых аккумуляторов: «В течение следующих пяти лет мы увидим батареи с кремниевыми анодами». Как бы то ни было, стоимость останется решающим фактором. В конечном счете все зависит от «появления дешевого, крупномасштабного производственного процесса, выпускающего продукты на основе новых технологий».
Компании Nissan Motor, NEC и их дочерняя компания NEC Tokin, в свою очередь, анонсировали начало производства в рамках совместного предприятия Automotive Energy Supply Corporation (AESC) новых литийионных аккумуляторов для применения в сфере автомобилестроения. Стартовая мощность объемов производства составит 13 тыс. единиц в год с постепенным увеличением до 65 тыс. в 2010 году.
По сравнению с традиционными никельгидридными аккумуляторами, новый продукт, по заявлению производителей, имеет вдвое увеличенную емкость и составлен из многослойных ячеек, позволяющих сделать изделия более компактными. Электроды с применением марганца должны обеспечить температурную стабильность, что вместе со слоистой структурой улучшает охлаждение аккумуляторов и повышает их надежность.
Проведенные разработчиками на гибридном автомобиле Nissan полевые испытания предполагали эксплуатацию батарей в течение 100 тыс. километров пробега. В данный момент AESC ожидает заказов на новые аккумуляторы со стороны автопроизводителей.
Исследователи университета Сент Эндрюс (University of St. Andrews) усовершенствовали обычный литийионный аккумулятор, подняв его удельную емкость почти в 10 раз. Группа ученых под руководством Питера Брюса (Peter Bruce) предложила использовать реакцию окисления лития кислородом для увеличения количества накапливаемых ионов. Технология, названная авторами STAIR (St. Andrews Air), заключается в замене стандартного катода из оксида кобальта специальным электродом из пористого углерода с катализатором, который через мембрану сообщается с окружающим воздухом. Когда батарея разряжается, кислород из воздуха вступает в реакцию с ионами лития из электролита и забирает электроны из внешней цепи. На электродах при этом образуется оксид лития. Во время заряда такой батареи происходит обратная реакция, и оксид лития полностью разлагается. Исследователи отмечают несколько преимуществ STAIR против обычных литийионных аккумуляторов: отсутствие дорогого и токсичного кобальта в батарее и почти десятикратное увеличение удельной емкости. Работы над STAIR ведутся на грант Британского совета по инженерным и научным исследованиям ESPRC (Engineering and Physical Sciences Research Council) в размере $2,4 млн и продлятся еще два года. Коммерческое производство литийкислородных аккумуляторов планируется начать к 2014 году.