За последние 25 лет максимальный запас хода электромобиля на одной зарядке увеличился с 260 км до чуть более 800 км. Все чаще эти усовершенствованные аккумуляторные батареи начинают также хранить энергию из сети или возобновляемых источников для питания домов или предприятий. Неудивительно, что мировой рынок автомобильных аккумуляторов превысил 50 млрд долларов США в год, и растет давление, чтобы производить большее количество еще более качественных аккумуляторов.
Теперь несколько компаний применяют хорошо зарекомендовавшую себя химическую технологию, называемую атомно-слоевым осаждением (ALD), для покрытия электродов аккумуляторов оксидами или нитридами металлов, что, по их утверждениям, улучшает как энергоемкость, так и срок службы литий-ионных аккумуляторов. К этим компаниям относятся Forge Nano из Торнтона, штат Колорадо, Picosun (дочерняя компания Applied Materials из Санта-Клары, штат Калифорния) и Beneq из Эспоо, Финляндия; они используют технологию, которая была первоначально разработана в 1960-х годах. После многих лет совершенствования своих процессов эти компании теперь надеются закрепиться на рынках аккумуляторов для электромобилей и смартфонов, где доминируют такие гиганты, как CATL, Panasonic и Samsung.
Из трех компаний Forge Nano, похоже, обладает наиболее развитой технологией. Недавно компания объявила, что ее дочерняя компания Forge Battery начала отправлять образцы прототипа аккумуляторной ячейки, изготовленной из материалов с покрытием ALD, клиентам для тестирования. Компания заявляет, что ее фирменная формула ALD, которую она называет Atomic Armor, позволяет электродам батарей лучше сохранять энергию и помогает им служить дольше.
Что входит в состав литий-ионного аккумулятора?
Аккумуляторы, используемые в современных электромобилях и смартфонах, состоят из трех основных компонентов. Анод, или отрицательный электрод, обычно изготавливаемый из графита, — это место, где ионы лития хранятся во время процесса зарядки. Катод (положительный электрод) изготовлен из оксида лития-металла, такого как оксид лития-кобальта или фосфат лития-железа. Затем идет электролит, представляющий собой литиевую соль, растворенную в органическом растворителе, которая позволяет ионам лития перемещаться между анодом и катодом. Также важен сепаратор — полупористый материал, который допускает перемещение ионов между катодом и анодом во время зарядки и разрядки, но блокирует поток электронов непосредственно между ними, что быстро приведет к короткому замыканию батареи.
Forge Nano наносит катодное покрытие на элементы аккумуляторных батарей, используемые в НИОКР.Фордж Нано
По словам представителей этих компаний, нанесение покрытия на молекулярном уровне на материалы, из которых состоят анод, катод и сепаратор, повышает производительность и долговечность аккумуляторов без существенного увеличения их веса или объема.
. Пленки образуются в результате химической реакции между двумя газообразными веществами-предшественниками, которые поочередно вводятся в подложку. Первое реагирует с поверхностью подложки в активных центрах, точках на молекулах-предшественниках и на поверхности подложки, где два материала химически связываются. Затем, после того как весь не прореагировавший газ-предшественник откачан, вводится следующий прекурсор и связывается с первым прекурсором в соответствующих активных центрах. Технология ALD является самоограниченной, что означает, что когда все активные центры заполнены, реакция останавливается. Пленка образует один атомный слой за раз, поэтому ее толщину можно задать с точностью до нескольких десятых нанометра, просто прекратив воздействие прекурсоров на подложку после достижения желаемой толщины покрытия.
В обычной литий-ионной батарее с графитовым анодом к графиту добавляется кремний (а иногда и другие материалы), чтобы улучшить способность анода хранить ионы. Такая практика повышает плотность энергии, но кремний гораздо более склонен к побочным реакциям с электролитом и к расширению и сжатию во время зарядки и разрядки, что ослабляет электрод. В конечном итоге механическая деградация снижает емкость батареи. Технология ALD, покрывая молекулы анода защитным слоем, обеспечивает более высокую долю кремния в аноде, а также подавляет циклы расширения-сжатия и, следовательно, замедляет механическую деградацию. Результатом является более легкая, более плотная по энергии батарея, которая более долговечна, чем обычные литий-ионные батареи.
Компания Picosun утверждает, что ее технология ALD использовалась для создания покрытых анодов из оксида никеля с более чем в два раза большей емкостью хранения энергии и в три раза большей плотностью энергии по сравнению с анодами на основе традиционного графита.
Насколько велика выгода? Forge Nano говорит, что хотя сторонние испытания и проверки уже ведутся, пока еще рано делать окончательные заявления о сроке службы аккумуляторов с улучшенным покрытием. Но представитель компании сказал Спектр IEEE Полученные на данный момент данные свидетельствуют о том, что удельная энергия улучшена на 15 процентов по сравнению с аналогичными батареями, представленными в настоящее время на рынке.
Компания сделала большую ставку на то, что игроки по всей цепочке производства аккумуляторов — от производителей анодов и катодов до поставщиков аккумуляторов первого уровня и даже производителей электромобилей — будут рассматривать ее подход к ALD как обязательный шаг в производстве аккумуляторов. Forge Battery строит гигафабрику площадью 25 700 квадратных метров в Северной Каролине, которая, по ее словам, будет выпускать 1 гигаватт-час своих литий-ионных элементов с усовершенствованной технологией Atomic Armor и готовых аккумуляторов, когда она начнет работу в 2026 году.
Из статей вашего сайта
Похожие статьи в Интернете