Толще, плотнее, лучше: новые электроды могут стать ключом к созданию современных батарей

Быстрое спекание с помощью электрического поля и давления для контроля выравнивания графена в толстых композитных электродах для повышения эффективности хранения лития. Фото: Хунтао Сан, штат Пенсильвания. Все права защищены.

16 августа 2023 г.

Джейми Обердик

УНИВЕРСИТЕТ-ПАРК, Пенсильвания – Спрос на высокопроизводительные аккумуляторы, особенно для использования в электромобилях, растет, поскольку мир переключает потребление энергии на более электрические системы, уменьшая зависимость от ископаемого топлива и уделяя приоритетное внимание усилиям по восстановлению климата. Чтобы улучшить производительность и производительность аккумуляторов, исследователи и сотрудники Пенсильванского университета разработали новый подход к производству, который может обеспечить более эффективные батареи, поддерживающие уровень энергии и мощности.

По словам Хунтао Сан, улучшенный метод изготовления аккумуляторных электродов может привести к созданию высокопроизводительных батарей, которые позволят сделать электромобили более энергоэффективными, а также получить такие преимущества, как увеличение запасов энергии в энергосистеме. Сан — доцент кафедры промышленного и производственного инжиниринга в Пенсильванском университете и соавтор исследования, которое было опубликовано и размещено на обложке журнала Carbon.

«Мы хотим, чтобы современные аккумуляторы позволяли нам управлять автомобилем на большие расстояния, и мы хотим, чтобы зарядка автомобиля заняла, возможно, пять-десять минут, что сопоставимо со временем, необходимым для заправки бензина», — сказал Сан. «В нашей работе мы рассмотрели, как мы можем достичь этого, сделав электроды и аккумуляторные элементы более компактными, с более высоким процентом активных компонентов и меньшим процентом пассивных компонентов».

Если производитель электромобилей хочет увеличить дальность пробега своих автомобилей, они добавляют больше аккумуляторных элементов, исчисляемых тысячами. По мнению Сан, чем меньше и легче, тем лучше.

«Решением для увеличения пробега электромобиля является просто установка компактных аккумуляторов, но с более плотными и толстыми электродами», — сказал Сан, пояснив, что такие электроды могут лучше соединять и питать компоненты аккумулятора, делая их более активными. «Хотя это Этот подход может немного снизить производительность батареи на вес электрода, но он значительно повышает общую производительность автомобиля за счет уменьшения веса аккумуляторной батареи и энергии, необходимой для перемещения электромобиля».

Более эффективные электроды — своего рода шлюзы для электричества в батарее — могут помочь создать батарею с более высоким процентом активных компонентов.

«Если вы думаете об основных компонентах внутри батареи, то только электрод влияет на ее производительность», — сказал Сан. "Нет никакого вклада в производительность батареи. Если мы хотим улучшить производительность батареи, нам нужно поработать над материалами электродов батареи и максимизировать их весовой процент в аккумуляторном элементе".

«Мы хотим, чтобы нынешние аккумуляторы позволяли нам управлять автомобилем на большие расстояния, и мы хотим, чтобы зарядить автомобиль примерно за пять-десять минут, что сопоставимо со временем, необходимым для заправки бензином».

Хунтао Сунь, доцент кафедры промышленного и производственного инжиниринга в Пенсильванском университете

Предыдущие попытки улучшить производительность батареи с помощью более совершенных электродов были сосредоточены только на одном показателе, который был не столь эффективным, поскольку тогда батарея плохо работала по другим компромиссным показателям. Например, когда батарея отдает предпочтение высоким гравиметрическим характеристикам (количество энергии, которое она может хранить по отношению к ее весу), это может привести к снижению метрических характеристик по площади (сколько заряда она может хранить на единицу площади) и/или к снижению объемных характеристик ( количество доставленного заряда относительно размера батареи).

Обычно батареи состоят из тонкопленочных анодных и катодных электродов, установленных между двумя токопроводящими фольгами и разделенных изоляционными сепараторами. Увеличение толщины этих электродов может улучшить емкость и плотность хранения энергии, предоставив больше места для хранения и высвобождения энергии. Более толстый электрод может накапливать больше зарядов и, следовательно, подобно тому, как больший резервуар может содержать больше воды, он может удерживать больше энергии. Однако у них также плохой транспорт заряда, что ухудшает их общую производительность.