В электромобилях обычно используются литий-ионные аккумуляторы, в которых используются графитовые аноды. Кремниевые аноды потенциально могут в 10 раз превышать емкость графитовых анодов, но один кремний не выдерживает циклических нагрузок перезаряжаемых батарей — его объем увеличивается, что приводит к растрескиванию его поверхности. Как следствие, емкость батареи резко уменьшается во время циклов заряда / разряда, и необходимая емкость не может удерживаться с течением времени.
Недавно исследователи из Корейского института науки и технологии (KIST) в Южной Корее предложили использовать отработанный кукурузный крахмал в рамках недорогого и масштабируемого подхода для производства гибридных анодов из кремний-углерода (Si-C) с удвоенной емкостью аккумулятора, аналогичный графитовой анодной батареи. Более того, аноды Si-C сохраняют стабильность в течение 500 циклов перезарядки.
Разработанная доктором Хун-Джи Юнгом и его командой в Центре исследований накопления энергии в KIST, эта технология обещает обеспечить быструю зарядку аккумулятора — емкость более 80% всего за пять минут. При применении к аккумуляторным батареям для электромобилей, новый материал проецируется увеличением дальности движения электрокара более чем в два раза.
От крахмала к углеродным шарикам
С риском «упрощения», команда растворила крахмал кукурузы и сладкого картофеля в воде, смешала с маслом и кремнием и разогревала смесь, используя тот же простой термический процесс, который использовался для жарки пищи (но с использованием циклопропана в процессе нагревания) для производства кремний-углеродного композита. Крошечные углеродные сферы препятствуют расширению кремния во время циклов зарядки и разрядки.
Гибридный композит кремний-углерода (Si-C) состоит из наночастиц кремния, встроенных в аморфные углеродные шарики микронного размера. Углеродная матрица плотно окружает наночастицы кремния, обеспечивая высокую электронную проводимость и значительно уменьшая напряжение / деформацию материала во время многочисленных циклов заряда-разряда.
Гибридный композитный анод Si-C демонстрирует емкость до 1800 мАч / г (проверка материалов графитового анода в диапазоне от 360 до 1530 мАч / г), превосходную стабильность при циклическом режиме с сохранением емкости 80% в течение 500 циклов и способность быстрого заряда-разряда в течении 12 минут. Кроме того, сообщается, что композитный анод демонстрирует хорошую приемлемость в реальных литий-ионных аккумуляторах, собранных с коммерческими катодами.
Доктор Юнг объяснил, что использование обычных повседневных материалов означает, что их техника «с большой вероятностью» будет коммерциализирована и запущена в серийное производство.
Новое исследование KIST также может стать значительным прогрессом в разработке более экологически чистой аккумуляторной батареи. В качестве устойчивой альтернативы на основе приставки био-, новый материал работает вокруг экологических проблем, связанных с добычей графита. В дополнение к выбросу мелких частиц графита в атмосферу, разливы порошка графита могут вызвать загрязнение почвы и оказать пагубное воздействие на жизнь растений и животных.
Между тем, в США кремний также привлек внимание как анодный материал следующего поколения для разработки электромобилей для поездки между городами. Министерство энергетики работает с национальными лабораториями над устранением барьеров на пути внедрения кремниевых анодов в литий-ионные аккумуляторы через Консорциум кремниевых анодов.
Внедрение данной технологии литий-ионных батарей может реально увеличить запас хода электромобиля и повысить экологичность аккумуляторов. Вопрос в другом — когда это будет внедрено? А что вы думаете по этому поводу?
Оставьте комментарий