Рабочий экран «SolidXCell», разработанный исследовательской группой. Источник: Корейский институт энергетических исследований
Корейская исследовательская группа представила первые универсальные принципы проектирования твердотельных батарей, что стало сигналом к смене парадигмы в исследованиях по проектированию батарей, в которых ранее отсутствовали стандартные критерии.
Доктор Джинсу Ким из Ульсанского центра исследований и разработок в области передовых энергетических технологий Корейского института энергетических исследований (KIER) и исследовательская группа профессора Сон-Кюна Джуна из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) совместно разработали принципы проектирования и универсальный инструментарий проектирования для внедрения твердотельных батарей с высокой плотностью энергии и завершили проверку производительности.
Статья опубликована в журнале Nature Communications.
С ростом мирового спроса на электрификацию приближается эпоха, когда все будет работать на батареях. В ответ на это корейское правительство объявило о «Национальной стратегии по укреплению конкурентоспособности аккумуляторной промышленности» для поддержки целенаправленного развития национальной технологии твердотельных батарей.
Твердотельные батареи используют негорючие твердые электролиты вместо горючих жидких электролитов, используемых в литий-ионных батареях, что делает их более безопасными и менее склонными к возгоранию. Кроме того, они предлагают преимущество значительного увеличения плотности энергии за счет эффективного структурного проектирования ячеек и систем.
До недавнего времени проводились фундаментальные исследования твердотельных аккумуляторов, дающие многочисленные результаты лабораторного уровня. Однако отсутствие научных руководств по проектированию практических электродов и ячеек привело к неэффективной разработке, поскольку она в первую очередь опирается на опыт исследователей для комбинирования материалов и управления параметрами конструкции.
Для решения этой проблемы исследовательская группа определила количественные параметры проектирования батареи как порог баланса, порог перколяции и порог загрузки. Это привело к представлению первых универсальных принципов проектирования твердотельных батарей. Ячейка пакета, произведенная на основе этих принципов, продемонстрировала плотность энергии 310 Вт·ч/кг, превзойдя плотность коммерческих литиевых батарей, и получила сертификацию третьей стороны.
Твердотельные аккумуляторы состоят из композитного катода, анода и твердого электролита. Плотность энергии увеличивается с увеличением плотности активных материалов в катоде. Основываясь на структуре «кубической закрытой упаковки», где сферические частицы расположены с максимальной плотностью, исследовательская группа определила стандартное соотношение твердого электролита, заполняющего пространства между частицами, как «порог баланса».
При этом порог баланса, объемная доля активного материала составляет 74%, а твердого электролита — 26%. Регулируя соотношение на основе этого значения, можно определить стратегию проектирования между плотностью энергии и плотностью мощности.
Также было установлено минимальное условие для проводимости ионов лития в композитном катоде. Исследовательская группа определила минимальную плотность, при которой композитные частицы активных материалов и твердых электролитов контактируют друг с другом, как «порог перколяции».
При этом условии пространство между композитными частицами должно составлять 26% или меньше. Если пространство превышает этот процент, частицы не будут контактировать, что препятствует ионному потоку и приводит к отказу батареи.
Кроме того, исследовательская группа разработала метод расчета толщины электрода путем расчета конкретных условий, при которых происходит падение напряжения внутри катода. Толщина электрода определяется падением напряжения из-за сопротивления и плотности тока.
Группа определила идеальную модель как комбинацию условий, при которых падение напряжения находится в пределах 100 мВ (милливольт), назвав это «порогом нагрузки». Это условие можно использовать в качестве ориентира для оптимизации толщины электродных пластин при комбинировании различных материалов и проектировании электродов.
Исследовательская группа успешно применила разработанные принципы проектирования для создания ячейки с емкостью 0,5 А·ч и высокой плотностью энергии 310 Вт·ч/кг. Изготовленная ячейка получила официальную сертификацию испытаний от Korea Conformity Laboratories (KCL), что демонстрирует последовательность их принципов проектирования.
Исследовательская группа также разработала набор инструментов для проектирования твердотельных аккумуляторов «SolidXCell», применяя принципы проектирования, которые открыты для общественности. «SolidXCell» — это многомасштабная и многопараметрическая платформа проектирования, которая позволяет интуитивно и систематически проектировать сложные твердотельные аккумуляторы. Он предоставляется исследователям бесплатно для использования в проектировании твердотельных аккумуляторов.
Доктор Джинсу Ким из KIER и профессор Сон-Кюн Джун из UNIST, которые руководили совместным исследованием, заявили: «Представление первых универсальных принципов проектирования твердотельных батарей с разработкой и распространением инструментария проектирования принесет большую пользу области проектирования твердотельных батарей. Мы надеемся, что многие исследователи смогут использовать эти принципы для эффективного проектирования твердотельных батарей, способствовать значительному улучшению производительности и преодолению текущих технологических барьеров».
В настоящее время совместная исследовательская группа создает «Литейный завод передовой инженерии батарей (ABEF)», первый в своем роде в Республике Корея, при поддержке Корейского института развития технологий и столичного города Ульсан. Этот центр предоставит инфраструктуру для производства, оценки и анализа прототипов полностью твердотельных батарей, литий-металлических батарей и литий-серных батарей для связанных компаний в будущем.
Дополнительная информация: Вонми Ли и др., Расширенная параметризация для производства высокоэнергетических твердотельных литиевых ячеек с полимерными электролитами, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50075-9
Информация о журнале: Nature Communications Предоставлено Национальным исследовательским советом по науке и технике
