NatSustain: Новый материал катода может произвести революцию в хранении энергии

Недорогой катод, который может улучшить литий-ионные батареи и повлиять на рынок электромобилей и крупномасштабных систем хранения энергии, создали исследователи из Технологического института Джорджии под руководством Хайлонга Чена.

Чен, доцент Школы машиностроения имени Джорджа Вудруфа и Школы материаловедения и инженерии, считает, что они нашли недорогую и устойчивую альтернативу существующим катодным материалам.

Новый материал — хлорид железа (FeCl₃) — стоит всего 1–2% от стоимости обычных катодных материалов и накапливает столько же электроэнергии. Катодные материалы влияют на ёмкость, энергию и эффективность батареи, а значит, на её производительность, срок службы и доступность.

Изобретение команды Чена может стать важным событием. Их катод улучшит рынок электромобилей и литий-ионных батарей.

Литий-ионные батареи, впервые представленные Sony в 1990-х годах, стали использоваться в персональной электронике. Позже эта технология перешла на электромобили. Но стоимость таких батарей особенно важна для крупных потребителей энергии. В настоящее время батареи составляют около половины стоимости электромобиля, что делает их дороже машин с двигателем внутреннего сгорания. Катод команды Чена способен это изменить.

Создание лучшей батареи

По сравнению со щелочными и свинцово-кислотными батареями, LIB-батареи компактнее и могут дольше работать без подзарядки. Но они содержат дорогие металлы, такие как кобальт и никель, и имеют высокую стоимость производства.

На данный момент коммерчески доступны только четыре типа катодов для LIB. Катод Чена станет пятым типом и позволит сделать большой шаг вперёд в технологии: разработать полностью твердотельный LIB.

В традиционных LIB используются жидкие электролиты, которые ограничивают количество хранимой энергии, могут протекать и загораться. В полностью твердотельных LIB применяются твёрдые электролиты. Это значительно повышает эффективность и надёжность батареи, делает её более безопасной и способной хранить больше энергии. Эти батареи пока находятся на стадии разработки и тестирования, но станут значительным улучшением.

Исследователи и производители по всему миру работают над созданием полностью твердотельных технологий.

Чен и его коллеги предложили доступное и надёжное решение. Благодаря катоду из FeCl₃, твёрдому электролиту и металлическому литиевому аноду стоимость всей системы батарей составляет 30-40% от стоимости нынешних LIB.

По словам Чена, это может сделать электромобили дешевле машин с двигателем внутреннего сгорания и обеспечить перспективную форму хранения энергии, повышая устойчивость электросети. Кроме того, разработанный катод улучшит стабильность поставок на рынке электромобилей.

Уверенное начало нового открытия

Чен заинтересовался FeCl₃ в качестве катодного материала во время исследований его лаборатории в области твердотельных электролитов. С 2019 года они пытались создать твердотельные батареи, используя твёрдые электролиты на основе хлоридов с традиционными коммерческими оксидными катодами. Но материалы не подходили друг другу.

Исследователи решили, что катод на основе хлорида может лучше сочетаться с хлоридным электролитом и повысить производительность батареи.

Чен говорит:

Мы нашли кандидата (FeCl₃), которого стоит попробовать, поскольку его кристаллическая структура потенциально подходит для хранения и транспортировки ионов Li, и он работает так, как мы и ожидали.

В настоящее время катоды для EV чаще всего делают из оксидов никеля и кобальта. Эти тяжёлые элементы дорогие, токсичные и вредят экологии.

Катод команды Чена сделан из железа и хлора — доступных элементов, которые есть в стали и поваренной соли.

Первые испытания показали, что FeCl₃ работает не хуже других, более дорогих катодов. Например, его рабочее напряжение выше, чем у популярного LiFePO4 (литий-железо-фосфат или LFP).

До применения этой технологии в электромобилях пройдёт не более пяти лет.

Чен и постдок Чжантао Лю руководили работой. В исследовании также принимали участие учёные из Технологического института Джорджии, Национальной лаборатории Ок-Ридж и Хьюстонского университета.

Мы хотим улучшить материалы в лаборатории и понять принципы их работы, — говорит Чен.

Мы готовы масштабировать технологию и применять её в коммерческих целях.

Результаты опубликованы в издании Nature Sustainability.

24.09.2024