Твердотельные литий-ионные аккумуляторы будут применять для производства гибридных автомобилей и электромобилей

Новый твердотельный аккумулятор.

Сотрудники исследовательского центра Юлих разработали твердотельный литий-ионный аккумулятор, который при авариях и ДТП не возгорается и не выходит из строя – а значит, идеально подходит для создания электромобилей и гибридных автомобилей.

Специалисты считают, что в будущем будут широко использоваться твердотельные литий-ионные аккумуляторы, поскольку они являются самыми надежными и эффективными из всех существующих видов аккумуляторов. Замена жидкого электролита на твердый обусловила значительное повышение плотности энергии и решила проблемы утечки электролита, перегрева, обгорания и токсичности, с которыми ученым приходилось бороться до сегодняшнего дня.

В ходе лабораторных тестов инженеры уже продемонстрировали прекрасные характеристики ячейки. Особое внимание было уделено границе между твердым электролитом и материалами электрода, поскольку эта зона имеет большое влияние на показатели эффективности при практическом применении аккумуляторов.

Новое поколение литий-ионных аккумуляторов

Новая твердотельная литий-ионная батарея обладает огромным потенциалом. В лабораторных условиях ячейка прошла более 350 циклом заряда-разряда. Эта ячейка – представитель нового поколения литий-ионных аккумуляторов, в которых вместо горючей и часто токсичной жидкости применяется твердый электролит. Такая структура имеет множество преимуществ: «Ячейка не возгорится при аварии и не выйдет из строя. Твердотельный электролит обеспечивает увеличение срока службы, а также благодаря ему аккумулятор менее чувствителен к температуре», – объясняет профессор Оливер Гиллон из Института исследования энергии и климата.

Высокая плотность энергии

Разработка литий-ионных батарей особенно актуальна в свете все большего распространения мобильных устройств и электромобилей. Причина этого кроется в основном в высокой плотности энергии. «Плотность энергии твердотельных литий-ионных батарей можно повысить еще больше, если соединить их между собой», – говорит руководитель научной группы по изучению синтеза материалов и технологических процессов. Кроме того, в отличие от обычных аккумуляторов с жидким электролитом, твердотельные батареи не нуждаются в системе охлаждения и защитной оболочке. Если говорить о строительстве автомобилей, то неизбежные толчки и вибрация не требуют установки дополнительных опорных конструкций, как для батарей с жидким электролитом.

Керамический электролит

Задача электролита заключается в изоляции полюсов и передаче ионов лития от анода к катоду в процессе разрядки. Вместо жидкости эти функции может выполнять твердое тело. Для этого в атомной кристаллической решетке должны быть вакантные места. Ионы лития перемещаются через твердое тело, «перескакивая» с одной вакансии на другую.

Тонкий слой электролита компенсирует недостатки

«В твердом электролите процесс протекает немного медленнее, чем обычная диффузия в жидком электролите. Возникает сопротивление, препятствующее перемещению ионов, что снижает плотность мощности батареи», – поясняет Свен Уленбрук, – «однако это можно компенсировать снижением толщины слоя электролит. Нашей целью является снизить толщину твердого электролита до нескольких микрометров, в то время как при использовании жидкого электролита расстояние между электродами составляет 30 мкм».

Оптимизация пограничной зоны

Один из наиболее сложных технических вопросов при проектировании твердотельного аккумулятора заключается в способе соединения твердого электролита и твердых электродов. Жидкий электролит взаимодействует с пористыми электродами как с губкой. Однако два твердых вещества не так легко связать друг с другом: сопротивление перехода между электродами и электролитом очень высокое. «С помощью оптимизации методов производства нам удалось снизить взаимное сопротивление перехода ячейки с 20 до 2 кΩ/см2», – сообщает Свен Уленбрук.

Исследование продолжается. Следующая цель – путем снижения толщины электролита снизить сопротивление до 50 Ω/см2, чтобы плотность энергии за счет экономии материала выросла еще больше. Это прекрасная перспектива для мобильной электроники, время работы которой значительно увеличится с внедрением твердотельных аккумуляторов. 

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?