Новый метод на основе использования расплавленного лития может обеспечить в будущем экономически эффективное производство тонких литиевых анодов. Они являются ключевыми компонентами для батарей будущего. Этот метод разработали ученые из института технологий лазерной обработки материалов Фраунгофера (Fraunhofer IWS) под руководством Хольгера Альтуэса.
В рамках проекта «MaLiBa», финансируемого Федеральным министерством образования и научных исследований, институт из Дрездена работает с компаниями hpulcas и SGS, а также с учеными во главе с профессором Юргеном Янеком из Университета Юстуса Либиха в Гиссене над решением критических проблем, связанных с этой концепцией. Наиболее важной инновацией является реализация анодного соединения, которое состоит из слоя лития, стабилизированного с помощью защитных слоев, нанесенного на фольгу из никеля толщиной несколько микрометров.
Литий-металлические аноды считаются ключевым элементом для аккумуляторных систем будущего. Они позволяют максимизировать плотность энергии с точки зрения как объема ячейки, так и массы.
Литий-металлический анод уже используется в литий-серных ячейках для достижения рекордных уровней удельной энергии более 400 ватт-часов на килограмм. Для сравнения, лучшие литий-ионные аккумуляторные батареи в настоящее время достигают всего только 250 ватт-часов на килограмм. Кроме того, при использовании литий-металлического анода твердотельные батареи могут превышать объемную плотность энергии современных литий-ионных батарей более чем на 70%.
Традиционные производственные решения для литиевой фольги включают процессы прокатки. Их сложность заключается в том, что слои с большой площадью толщиной до 50 микрометров можно получить только с большим трудом. Качество также ограничено, так как вспомогательные вещества химически загрязняют поверхность фольги. Таким образом, литиевая фольга не может производиться в промышленных масштабах с требованиями по качеству, необходимыми для применения в батареях. Кроме того, технологии производства высококачественных и тонких литиевых слоев еще не стали коммерчески доступными, и к тому же граничная поверхность с другими компонентами ячейки обладает высокой реакционной способностью. Это, в свою очередь, требует разработки специальной граничной поверхности для обеспечения стабильного и безопасного использования литиевых анодов.
В течение нескольких лет институт Фраунхофера IWS работает над процессом нанесения покрытия, который позволил бы изготавливать литиевые слои толщиной менее одного микрона. Наиболее важной инновацией является литиофильная поверхность, которая обеспечивает однородное нанесение тонких слоев расплавленного лития на металлические подложки с минимальными затратами. «Мы можем обрабатывать тонкую никелевую и медную фольгу таким образом, чтобы на нее можно было наносить покрытие из жидкой фазы или из расплава лития», — объясняет Хольгер Альтуэс, руководитель департамента технологий химических поверхностей и технологии аккумуляторов института Фраунгофера IWS. Поскольку при нанесении жидкого лития на необработанную медную или никелевую фольгу образуются шарики, смачивание поверхности фольги литием не представляется возможным. «Тем не менее, это абсолютно необходимо для получения покрытия, и мы можем сделать это с помощью литиофильной поверхности подложки», — констатирует Альтуэс. Другие преимущества включают в себя тот факт, что разработанная IWS технология особенно рентабельна и уже может быть адаптирована к промышленным стандартам для метода рулонной обработки.
Модификации литиевой поверхности предназначены для расширения процесса нанесения покрытия в рамках проекта «MaLiBa». Команда исследователей под руководством IWS намерена значительно улучшить управляемость, стабильность, а также безопасность литиевых анодов для использования в ячейках аккумуляторных батарей. Эти работы дополняется разработкой процесса лазерной резки в рамках проекта «LiMeCut», который обеспечивает гибкую сборку литиевых анодов. В результате получается набор инструментов для адаптации анодов к системам и форматам ячеек, специфичным для разных клиентов. «Мы видим растущий спрос на разработку литий-металлических батарей,» — объясняет исследователь аккумуляторов Альтуэс. «Уже сегодня мы можем удовлетворить многие требования, выпуская индивидуальные аноды».
Источник: https://www.solarserver.de/solar-magazin/nachrichten/aktuelles/2019/kw14/mit-duennen-lithiumanoden-zu-effizienteren-batterien.html