Спрос на электромобили растет вместе с растущей потребностью в интеллектуальных сетях, обеспечивающих устойчивое энергоснабжение. Эти и другие мобильные и стационарные технологии требуют подходящих аккумуляторов.
Сохранение как можно большего количества энергии в минимально возможном пространстве при минимально возможном весе – литий-ионные батареи (LIB) по-прежнему лучше всего соответствуют этому требованию. Исследование направлено на повышение плотности энергии, удельной мощности, безопасности и срока службы этих батарей. Материал электродов здесь имеет большое значение. Аноды литий-ионных аккумуляторов состоят из токосъемника и нанесенного на него активного материала, который накапливает энергию в виде химических связей.
В большинстве случаев в качестве активного материала используется графит. Однако отрицательные электроды из графита имеют низкую скорость зарядки. Более того, они связаны с вопросами безопасности.
Среди альтернативных активных материалов оксид титаната лития (LTO) уже коммерциализирован. Отрицательные электроды с LTO имеют более высокую скорость зарядки и считаются более безопасными, чем электроды из графита.
Недостатком является то, что литий-ионные батареи с оксидом титаната лития, как правило, имеют более низкую плотность энергии.
Спрос на электромобили растет вместе с растущей потребностью в интеллектуальных сетях, обеспечивающих устойчивое энергоснабжение. Эти и другие мобильные и стационарные технологии требуют подходящих аккумуляторов.
Сохранение как можно большего количества энергии в минимально возможном пространстве при минимально возможном весе – литий-ионные батареи (LIB) по-прежнему лучше всего соответствуют этому требованию. Исследование направлено на повышение плотности энергии, удельной мощности, безопасности и срока службы этих батарей. Материал электродов здесь имеет большое значение. Аноды литий-ионных аккумуляторов состоят из токосъемника и нанесенного на него активного материала, который накапливает энергию в виде химических связей.
В большинстве случаев в качестве активного материала используется графит. Однако отрицательные электроды из графита имеют низкую скорость зарядки. Более того, они связаны с вопросами безопасности.
Среди альтернативных активных материалов оксид титаната лития (LTO) уже коммерциализирован. Отрицательные электроды с LTO имеют более высокую скорость зарядки и считаются более безопасными, чем электроды из графита. Недостатком является то, что литий-ионные батареи с оксидом титаната лития, как правило, имеют более низкую плотность энергии.
Команда вокруг профессора Гельмута Эренберга, главы Института прикладных материалов – систем накопления энергии (IAM-ESS) KIT, теперь исследовала другой многообещающий анодный материал: титанат лития-лантана с кристаллической структурой перовскита (LLTO).
Согласно исследованию, которое проводилось в сотрудничестве с учеными из Университета Цзилинь в Чанчуне (Китай) и других исследовательских институтов в Китае и Сингапуре, аноды LLTO имеют более низкий электродный потенциал по сравнению с коммерческими анодами LTO, что позволяет получать более высокое напряжение на ячейках. и более высокая мощность. «Напряжение элемента и емкость аккумулятора в конечном итоге определяют плотность энергии батареи», – поясняет Эренберг. «В будущем аноды LLTO могут быть использованы для создания особо безопасных высокопроизводительных ячеек с длительным сроком службы.«Исследование вносит вклад в работу исследовательской платформы для электрохимического накопления, CELEST (Центр электрохимического накопления энергии в Ульме и Карлсруэ), одной из крупнейших в мире платформ для исследования аккумуляторов, которая также включает в себя кластер передового опыта POLiS.
Помимо плотности энергии, удельной мощности, безопасности и срока службы, скорость зарядки является еще одним определяющим фактором пригодности аккумулятора для требовательных приложений. В принципе, максимальный ток разряда и минимальное время зарядки зависят от переноса ионов и электронов как внутри твердого тела, так и на границах раздела между материалом электрода и электролита.
Для повышения скорости зарядки обычной практикой является уменьшение размера частиц электродного материала с микро- до наноуровня. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications исследователями KIT и их партнерами по сотрудничеству, показывает, что даже частицы размером в несколько микрометров в LLTO со структурой перовскита имеют более высокую плотность мощности и лучшую скорость зарядки, чем наночастицы LTO.
Исследовательская группа связывает это с так называемой псевдоемкостью LLTO: к этому материалу анода прикреплены не только отдельные электроны, но и заряженные ионы, которые связаны слабыми силами и могут обратимо переносить заряды на анод. «Благодаря более крупным частицам LLTO в основном обеспечивает более простые и экономичные процессы производства электродов», – поясняет Эренберг.