Батареи на основе алюминия могут стать прорывом в развитии электромобилей

Хорошая батарея должна обладать двумя качествами: высокой плотностью энергии для питания устройств и стабильностью, позволяющей безопасно и надежно перезаряжать ее тысячи раз.

На протяжении последних трех десятилетий литий-ионные аккумуляторы занимали лидирующие позиции, доказав свою эффективность в смартфонах, ноутбуках и электромобилях.

Однако исследователи аккумуляторов подобрались, кажется, к границам возможностей литий-ионных батарей. В связи с появлением на рынке дальнобойных автомобилей и электросамолетов нового поколения активизируется поиск более безопасных, дешевых и мощных аккумуляторных систем, превосходящих литий-ионные.

Группа исследователей из Технологического института Джорджии под руководством Мэтью Макдауэлла, доцента Школы машиностроения имени Джорджа Вудруфа и Школы материаловедения и инженерии, использует алюминиевую фольгу для создания батарей с более высокой плотностью энергии и стабильностью. Новая система аккумуляторов, о которой группа авторов подробно рассказала в журнале Nature Communications, может позволить электромобилям дольше работать от одного заряда, будет дешевле в производстве и при этом окажет положительное влияние на окружающую среду.

Мы постоянно ищем батареи с более высокой плотностью энергии, что позволило бы электромобилям проезжать на одной зарядке большие расстояния, — сказал Макдауэлл.

Интересно, что в качестве материала для батарей мы можем использовать алюминий, поскольку он экономически эффективен, легко перерабатывается и с ним легко работать.

Идея создания батарей на основе алюминия не нова. Исследователи изучали ее возможности в 1970-х годах, но ничего хорошего из этого не вышло.

При использовании в обычных литий-ионных аккумуляторах алюминий разрушается и выходит из строя в течение нескольких циклов заряда-разряда из-за расширения и сжатия, когда литий входит и выходит из материала. Разработчики пришли к выводу, что алюминий не может быть использован в качестве материала для аккумуляторов, и от этой идеи в основном отказались.

Теперь на рынке появились твердотельные батареи. Если литий-ионные батареи содержат легковоспламеняющуюся жидкость, которая может привести к пожару, то твердотельные батареи содержат твердый материал, который не воспламеняется и, следовательно, является более безопасным. Кроме того, твердотельные батареи позволяют интегрировать новые высокоэффективные активные материалы, как показано в данном исследовании.

Проект начался как сотрудничество между командой Georgia Tech и компанией Novelis, ведущим производителем алюминия и крупнейшим в мире переработчиком алюминия, в рамках Novelis Innovation Hub в Georgia Tech. Исследовательская группа знала, что использование алюминия в качестве материала для анода батареи — отрицательно заряженной части батареи, которая накапливает литий для получения энергии, — будет иметь энергетические, стоимостные и производственные преимущества, однако чистые алюминиевые фольги быстро выходили из строя при испытаниях в батареях.

Команда решила применить другой подход. Вместо чистого алюминия в фольгу добавляли небольшое количество других материалов, чтобы создать фольгу с определенной «микроструктурой», или расположением различных материалов. Они протестировали более 100 различных материалов, чтобы понять, как они будут вести себя в батареях.

Нам нужно было найти материал, который позволил бы решить фундаментальные проблемы алюминия в качестве анода для аккумуляторов, — говорит Юджин Лю (Yuhgene Liu), аспирант лаборатории Макдауэлла и первый автор статьи.

Наш новый анод из алюминиевой фольги продемонстрировал заметно улучшенные характеристики и стабильность при использовании в твердотельных батареях по сравнению с обычными литий-ионными батареями.

Команда заметила, что алюминиевый анод может хранить больше лития, чем обычные анодные материалы, и, следовательно, больше энергии. В итоге были созданы батареи с высокой плотностью энергии, которые в перспективе могут превзойти литий-ионные батареи.

Одно из преимуществ нашего алюминиевого анода, которое нас очень радует, заключается в том, что он позволяет повысить производительность, но при этом может быть очень экономически эффективным, — сказал Макдауэлл.

Кроме того, при использовании фольги непосредственно в качестве компонента батареи мы фактически устраняем многие производственные этапы, которые обычно требуются для изготовления материала батареи.

Электросамолеты малой дальности разрабатываются несколькими компаниями, но ограничивающим фактором являются батареи. Современные аккумуляторы не вмещают достаточно энергии для обеспечения полетов самолетов на расстояния более 150 миль или около того. Необходимы новые химические составы батарей, и батареи с алюминиевым анодом, созданные группой Макдауэлла, могут открыть дверь к более мощным технологиям батарей.

Первоначальный успех этих анодов из алюминиевой фольги открывает новое направление для поиска других потенциальных материалов для батарей, — сказал Лю.

Это, как мы надеемся, откроет путь к созданию более оптимизированной по энергопотреблению и экономически эффективной архитектуры батарейных элементов.

В настоящее время группа работает над увеличением размеров батарей, чтобы понять, как размер влияет на поведение алюминия. Группа также активно изучает другие материалы и микроструктуры с целью создания очень дешевых фольг для аккумуляторных систем.

Это история о материале, о котором было известно уже давно, но от которого на ранних этапах разработки батарей практически отказались, — заключил Макдауэлл.

Но благодаря новым знаниям в сочетании с новой технологией — твердотельной батареей — мы поняли, как можно возродить эту идею и добиться действительно многообещающих характеристик.

19.07.2023