Исследователи Сколтеха запатентовали новую технологию производства высококачественного литиево-железо-фосфатного электролита – ключевого компонента литий-ионных аккумуляторов для электромобилей, автобусов, резервных источников питания и бытовых возобновляемых источников энергии. В новом производственном процессе вместо традиционной сушки горячим воздухом для подготовки сырья для производства литиево-железо-фосфатного электролита, который затем обладает более высокой ёмкостью и долговечностью, используется микроволновое излучение. Улучшенный материал, используемый в катодах, увеличит срок службы литий-ионных аккумуляторов и количество запасаемой энергии, а также сэкономит время и сократит затраты энергии при производстве. Патент был выдан Федеральной службой по интеллектуальной собственности России.
Литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке накопителей энергии, в том числе для электромобилей. Существует несколько типов широко используемых литий-ионных аккумуляторов, различающихся по используемым материалам катода. Материалы анода и других компонентов играют второстепенную роль, а состав катода во многом определяет характеристики аккумулятора: его мощность, стоимость, безопасность и срок службы.
Материалы катода неизменно содержат литий, а иногда и целый ряд других элементов. Например, катод из оксида лития, никеля, марганца и кобальта (NMC) отличается высокой плотностью энергии и подходит для аккумуляторов, используемых в автомобилях с большим запасом хода. В некоторых автомобилях премиум-класса используются аккумуляторы на основе оксида лития, никеля, кобальта и алюминия (NCA), которые дороже и несколько менее безопасны.
«Мы работаем над катодными материалами для литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Они дешевле, чем их аналоги на основе никеля, и их не нужно так часто заменять – за счёт меньшей плотности энергии. Такой набор характеристик делает их предпочтительными аккумуляторами для городских автомобилей массового производства, предназначенных для коротких и средних поездок, а также для электробусов и вилочных погрузчиков», – говорит один из изобретателей запатентованной технологии, младший научный сотрудник Эльвира Стюф из Skoltech Energy.
«Кроме того, давайте не будем забывать о безопасности как в электромобилях, так и за их пределами, – добавляет соавтор патента, директор Skoltech Energy, заслуженный профессор Артём Абакумов, который является солауреатом премии Вызова 2024 года. – Литий-железо-фосфатные аккумуляторы очень устойчивы к перегреву и не склонны к взрыву или возгоранию даже при повреждении. Фактор безопасности в сочетании с работой в довольно широком диапазоне температур также является преимуществом для бытовых решений, которые накапливают солнечную и ветровую энергию и справляются с перебоями в подаче электроэнергии».
Емкость аккумулятора является его ключевой характеристикой производительности. Пропускная способность в первую очередь ограничена плотностью энергии материала катода, вот почему ученые и инженеры продолжают возиться с составом и производством литий-железофосфата – он же LFP – и других катодных материалов.
В новом патенте Сколтеха описан способ модификации производства LFP для катодов аккумуляторов таким образом, чтобы получаемый материал имел более высокую плотность энергии, что в конечном итоге повышает производительность аккумулятора. Разработанный процесс производства также несколько быстрее и экономит около четверти электроэнергии, которая обычно расходуется при сушке горячим воздухом.
LFP получают путём обжига сырья в печи. Сырьё, в свою очередь, представляет собой порошок, изначально оранжевого цвета, который получают путём распыления водной суспензии сырья в потоке горячего воздуха. Капли мгновенно высыхают, оставляя после себя сферические частицы, из которых состоит порошок. Однако если вместо горячего воздуха капли подвергаются воздействию микроволнового излучения, они высыхают быстрее и с меньшими затратами электроэнергии. Что ещё более важно, распределение компонентов в каждой сферической частице порошка будет более однородным. Это повышает плотность энергии материала и продлевает срок его службы.
«Причина этого эффекта в том, что горячий воздух высушивает частицы снаружи внутрь, а микроволны высушивают их изнутри наружу», – объяснила соавтор патента, старший научный сотрудник Александра Савина из Skoltech Energy. – Быстрое удаление воды из капель суспензии с помощью микроволнового излучения обеспечивает равномерное распределение всех компонентов по всему объёму сферических или шарообразных агломератов предшественника – порошкового материала до выпекания. В результате получается множество крошечных частиц, каждая из которых покрыта углеродом, и они слипаются, образуя тонкую проводящую углеродную сеть в конечном катодном материале. Обычно получается более крупнозернистая сеть с большими промежутками между проводниками, что означает худшую проводимость и, в конечном итоге, меньшую плотность энергии»