«Своей работой они создали условия для беспроводного общества, свободного от ископаемого топлива, и тем самым принесли человечеству огромную пользу».
Такими словами Нобелевская комиссия сопроводила награждение Джона Гуденафа, Стэнли Уиттингема и Акиру Ёсино, которым в 2019 году дали премию «за разработку литийионных аккумуляторов».
Литий стал новой нефтью. Уже в 2020 году 71% мирового потребления этого металла приходилось на рынок литийионных аккумуляторов.
Для сравнения: добыча лития в 1991 году составляла 5000 тонн, в 2020-м – более 85 000 тонн. Один из крупнейших в мире производителей литиевой продукции – Новосибирский завод химконцентратов (входит в ТВЭЛ).
В чем преимущества литийионных батарей?
• Высокая плотность хранения энергии
За счет этого устройства дольше работают без подзарядки, при том что элемент питания небольшой по размеру. Чем больше требуется энергии прибору, тем выше должна быть плотность энергии в аккумуляторе.
• Низкий саморазряд
Главная проблема аккумуляторных батарей – потеря заряда без использования. У литийионных элементов скорость этого процесса очень медленная. Саморазряд у них равен 5% в первые четыре часа после зарядки и затем снижается до 1-2% в месяц.
• Безопасность
Литий не высокоактивный в химическом отношении. Причем замена процесса осаждения и растворения металлического лития на процесс миграции ионов лития с одного электрода на другой позволяет почти неограниченно увеличить срок службы батарей.
Другие преимущества:
• Высокий ток при работе.
• Нет необходимости в обслуживании. Батарея готова к эксплуатации в любой момент.
• Нет эффекта памяти.
• Можно создавать аккумуляторы любых размеров и форм.
• Широкий диапазон рабочих температур.
Как делают литийионные батареи?
По сути, литийионный аккумулятор – это электроды, которые разделены пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Катодный материал помещают на алюминиевую фольгу, анодный – на медную.
Первый катодный материал в 1980 году выделил лауреат Нобелевской премии по химии Джон Гуденаф. Это был слоистый оксид лития кобальта. Сегодня его чаще всего используют в аккумуляторах мобильных устройств.
Отраслевым интегратором Росатома в области систем накопления электроэнергии является РЭНЕРА (расшифровывается как «Росатом – Энергоаккумулирующие решения»). На батареях ее производства ездят 162 троллейбуса с увеличенным автономным ходом в Санкт-Петербурге, прогулочные электокары, детские карты и другой электротранспорт.
В данный момент РЭНЕРА строит в Калининградской области гигафбрику мощностью 4 ГВт∙ч в год, где будут делать литийионные аккумуляторы для тяговых батарей и стационарных систем накопления энергии.
Как устроено производство литийионных батарей?
То, что станет катодом и анодом, выглядит как порошки очень мелкой фракции, причем на глаз их почти не отличить. Крупицы гладкие, имеют сферическую форму и закругленные края. Это повышает чувствительность к высокому электричеству.
Важно, чтобы крупицы катода и анода не соприкоснулись, иначе это приведет к разрушению батареи. Поэтому материалы обрабатывают раздельно, в разных цехах.
Этап 1. Сначала смешивают материалы электродов. Затем их с обеих сторон покрывают фольгой, на которую предварительно наносят суспензию. Фольга выступает токоприемником, который проводит ток внутри и снаружи ячейки. После происходит сушка, фольгу с материалами разрезают на узкие полоски и сворачивается в несколько слоев. Важно проследить, чтобы не было никаких неровностей или шероховатостей на краях полосок, иначе может случиться короткое замыкание.
Шаг 2. Сборка батареи. Сепаратор зажимают между анодом и катодом. Затем электроды помещают в корпус, заполняют электролитом и запечатывают. Электролит реагирует с водой, при этом он разлагается и выделяется токсичный газ. Поэтому необходимо исключить любое попадание влаги.
Шаг 3. После сборки ячейка должна пройти хотя бы один контролируемый цикл зарядки-разрядки. Заряжают постепенно увеличивая напряжение. Только после этого теста батарея покидает завод.