Ученые Института электродвижения МФТИ в рамках проекта ФПИ «Сапфир-Д» разработали технологию изготовления негорючих батарей с повышенной удельной энергией относительно серийно выпускаемых образцов. Новые аккумуляторы найдут применение и повысят безопасность электромобилей, наземных и морских роботов, летательных аппаратов. Постановка нового типа электрохимических источников тока в производство на опытно-промышленном заводе АО «МЕТАЛЛИОН» планируется уже в 2028 году.
Аккумулятор. Фото: пресс-служба МТФИ
«Разработанная технология позволяет решить главные проблемы современных батарей: повышает безопасность и работает существенно дольше в режиме высокой токоотдачи», — говорит Анатолий Матвеев, руководитель проекта Центра развития перспективного материаловедения ФПИ.
Литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня работают внутри смартфонов, электромобилей и других устройств, уже достигли своего предела энергоемкости. Кроме того, они пожароопасны: внутри них используется жидкий электролит, который при перегреве или повреждении может воспламениться.
Ученые Института электродвижения МФТИ в рамках проекта ФПИ «Сапфир-Д» обошли эти ограничения, заменив жидкий электролит на квазитвердый и переработав конструкцию электродов.
Основа твердого электролита внутри батареи – полимер-керамическая мембрана. Она физически разделяет катод и анод, предотвращая короткое замыкание, но при этом пропускает ионы лития.
В отличие от обычных катодов, которые состоят из сростков мелких кристаллов и со временем разрушаются, ученые использовали крупные кристаллы сложного оксида с повышенным содержанием никеля. Они создают более короткие и однородные пути для диффузии ионов лития, что позволяет быстрее заряжать и разряжать батарею, а также увеличивает срок ее службы.
Токосъемник анода покрывают композитом из углерода и наночастиц серебра. Благодаря этому покрытию ионы лития восстанавливаются до металла не хаотично, а равномерно. Так внутри ячейки формируется тонкий и стабильный слой металлического лития.
«Мы комбинируем сразу три технических решения, которые дополняют друг друга. Уникальный состав электролита с добавлением жидкого пластификатора обеспечивает высокую ионную проводимость и безопасность. Монокристаллический катод позволяет работать на более высоких токах и значительно увеличивает ресурс. Покрытие анода из углерода и наночастиц серебра дает возможность осаждать литий равномерно и использовать безанодную схему без толстой литиевой фольги. Это повышает энергетическую плотность и снижает стоимость», — пояснил Виктор Визгалов, заведующий лабораторией пост-литий-ионных электрохимических систем Института электродвижения МФТИ.
Коллектив разработчиков. Фото: пресс-служба МТФИ
Эксперименты на лабораторных образцах показали: целевой показатель удельной энергии существенно выше, чем у лучших серийных литий-ионных образцов. При этом замена жидкого горючего электролита на квазитвердотельный практически исключает риск возгорания.
Разработка важна для безопасного электротранспорта, средств авиации, сухопутных и морских робототехнических комплексов и др. Аккумуляторы можно использовать и в стационарных батареях для хранения энергии, например на солнечных электростанциях.
Первый этап проекта уже завершен: ученые произвели и испытали образцы батарей. В рамках последующего этапа проекта запланирована разработка пилотного оборудования и масштабирование разработанной технологии. На площадке индустриального партнера АО «МЕТАЛИОН» спроектирована линия для отработки и производства пост-литий-ионных источников тока, включая твердотельные аккумуляторы. Внедрение на рынок планируется уже в 2028 году.
Источник информации и фото: пресс-служба МФТИ
