Высокопроизводительные аккумуляторы становятся все более востребованными, особенно для использования в электромобилях, поскольку мир стремится к энергетической эффективности и уменьшению выбросов углерода.
Учёные и сотрудники Университета штата Пенсильвания разработали новый метод изготовления аккумуляторных электродов, который может значительно улучшить эффективность и батарей.
Хунтао Сан, доцент кафедры промышленного и производственного инжениринга, объясняет, что новый подход к изготовлению электродов может привести к созданию высокоэффективных аккумуляторов, способных сделать электромобили более энергоэффективными и увеличить емкость энергосистемы в целом. Он отмечает, что для производителей электромобилей важно увеличить дальность пробега, добавляя больше аккумуляторных элементов, но при этом сохранить их размеры и вес как можно меньшими. Более эффективные электроды играют роль "ворот" для электричества в батарее и могут помочь создать батареи с более высоким процентом активных компонентов.
«С современными батареями мы хотим, чтобы они позволяли нам ездить на электромобиле на большие расстояния, и мы хотим зарядить машину, может быть, за пять или 10 минут, что сравнимо со временем, которое требуется для заправки бензином», — сказал Сан. «В нашей работе мы рассмотрели, как мы можем добиться этого, сделав электроды и аккумуляторные элементы более компактными, с более высоким процентом активных компонентов и меньшим процентом пассивных компонентов».
Однако предыдущие попытки улучшить производительность батарей фокусировались только на одном показателе, что приводило к компромиссам в других характеристиках. Например, если батарея была оптимизирована для высокой гравиметрической характеристики (количество энергии, которое она может хранить по отношению к своему весу), это могло привести к ухудшению площадных метрических характеристик (сколько заряда она может хранить на единицу площади) или объемных характеристик (количество подаваемого заряда относительно размера батареи).
«Решение для более дальних поездок для электромобиля состоит в том, чтобы просто добавить компактные батареи, но с более плотными и толстыми электродами», — сказал Сан, пояснив, что такие электроды могут лучше соединять и питать компоненты батареи, делая их более активными. «Хотя этот подход может немного снизить производительность батареи в расчете на вес электрода, он значительно повышает общую производительность автомобиля за счет уменьшения веса аккумуляторной батареи и энергии, необходимой для движения электромобиля».
«Если вы думаете об основных компонентах внутри батареи, только электрод влияет на производительность батареи», — сказал Сан. «Другие части, такие как упаковка, сепаратор, токосъемник и т. д., являются пассивными компонентами, которые увеличивают вес и вообще не влияют на производительность батареи. Если мы хотим улучшить производительность батареи, нам нужно поработать над батареей. материалы электродов и максимизировать их весовую долю в аккумуляторной ячейке».
Новый метод, разработанный исследователями из Пенсильванского университета, может преодолеть эти ограничения, позволяя создавать батареи с более высокой эффективностью и производительностью. Это открывает новые возможности для увеличения дальности пробега электромобилей, не увеличивая их размеры или вес.
Сан и его исследовательская группа сосредоточились на создании более толстых электродов с оптимизированными путями переноса заряда, стремясь обеспечить высокую производительность по всем трем показателям: площади, объему и весу.
Чтобы решить проблему более толстого электрода с плохой кинетикой переноса заряда, исследователи разработали метод применения к электродам искрового плазменного спекания (SPS). SPS — это энергоэффективный метод, использующий тепло и давление для сжатия и уплотнения материалов в твердый объект, например электрод.
«SPS позволил нам изготовить очень толстый и плотный электрод», — сказал Сан. «Типичная толщина электрода батареи составляет всего от 50 микрон до 100 микрон, но сейчас, в этой работе, мы говорим о 300 микронах, 500 микронах. Это в пять раз больше, чем доля массы электрода в реальной батарее. устройство."
Этот метод позволяет получить вертикально выровненные углеродные сети и поровые каналы в электродах, что позволяет использовать катоды с высокой плотностью электродов для высоких объемных характеристик и высокой массовой нагрузки (количество присутствующего активного материала) для высоких метрических характеристик площади, демонстрируя при этом быстрый перенос заряда.
Рост спроса на высокопроизводительные аккумуляторы является важным шагом в направлении устойчивой энергетики и снижения воздействия на окружающую среду. Улучшение производительности и эффективности аккумуляторов с помощью нового метода изготовления является значимым достижением, которое может ускорить переход к электрификации и помочь снизить выбросы углерода.