Аккумуляторы являются лучшими кандидатами для удовлетворения растущего спроса на хранение электроэнергии (широкое использование мобильных приложений, растущий спрос на электромобили, а также потребность в больших стационарных хранилищах энергии для лучшего управления возобновляемыми источниками энергии).
Разработка литий-ионных аккумуляторов была удостоена Нобелевской премии по химии в 2019 году за достижения, которые принесли наибольшую пользу человечеству.
Литий-ионный аккумулятор
Технологии накопления электроэнергии, особенно литий-ионные аккумуляторы, уже давно коммерциализированы как для мобильных, так и для стационарных приложений экологически безопасным и устойчивым образом.
Для всех этих приложений жизненно необходимы высокая плотность энергии, высокая циклируемость, низкая стоимость и высокая безопасность. Также может потребоваться высокая удельная мощность.
Благодаря своей высокой плотности энергии, легкому весу и приемлемому сроку службы литий-ионные аккумуляторы продемонстрировали огромный потенциал источников питания для бытовой электроники и электромобилей, и активно используются для хранения энергии в масштабе электрической системы.
Недостатки литий-ионных аккумуляторов
С момента их первой коммерциализации Sony в 1991 году литий-ионные аккумуляторы стали самой распространенной технологией для аккумуляторов и, вероятно, какое-то время останутся среди ведущих технологий хранения электроэнергии.
Однако для многих различных приложений существует острая необходимость в более высокой плотности энергии и мощности, более коротком времени перезарядки и более длительном сроке службы. Это особенно верно в случае электромобиля, поскольку его автономность прямо пропорциональна емкости аккумулятора.
Одним из основных факторов, определяющих плотность энергии батареи, является удельная емкость отрицательного электрода, т.е. емкость электрода на единицу массы. Для литий-ионных аккумуляторов наибольшая емкость достигается при использовании кремния.
Однако использование кремния в литий-ионных батареях в настоящее время сильно ограничено из-за трех основных проблем: быстрой деградации электрода, в основном из-за очень больших изменений структуры и объема (более 300 %) при литировании и делитировании, нестабильности электрода и низкой электронной проводимости материала.
Аккумуляторы для электромобиля
Литий-ионные аккумуляторы подвергаются некоторой критике в отношении их безопасности, экологической устойчивости и экономической эффективности.
Во-первых, неорганические материалы для таких аккумуляторов, как правило, образуются из истощаемых минеральных ресурсов (неорганические оксиды и фосфаты переходных металлов, такие как LiFePO4, LiCoO2 и LiMn2O4), которые неизбежно будут иметь ограниченную доступность и постепенно увеличивать стоимость, а также экологические проблемы, связанные с их производством и процессами переработки.
Такие неорганические электродные материалы обычно производятся с помощью сложных и жестких процедур, таких как высокотемпературный отжиг и гидротермальные процессы высокого давления. Процессы переработки неорганических электродных материалов также сложны, связаны с большими энергозатратами.
Добыча лития в Чили
Следует отметить, что высокая стоимость добычи и ограниченная доступность минеральных ресурсов могут сделать литий «новым золотом».
Во-вторых, литий-ионные аккуомуляторы приближаются к внутреннему пределу (теоретическая емкость для графита) обычных электродных материалов. Значительные усилия были направлены на возрождение металлического литиевого электрода.
В-третьих, попеременный процесс разрядки-зарядки неорганических электродных материалов часто приводит к значительному изменению объема и механическому измельчению и, следовательно, их разрушению. Это приводит к низкой циклируемости и плохой обратимости.
Кроме того, хрупкость, присущая неорганическим материалам, не соответствует быстрорастущему рынку гибкой электроники.
Для решения всех перечисленных выше трудностей было проведено множество исследований. Большинство этих исследований стремились предложить практические решения с использованием либо инновационных структур электродов, либо композитных материалов на основе кремния.
Обычно они требуют, чтобы кремний находился в нанометрической форме (наночастицы, структуры ядро-оболочка, структуры желток-оболочка, нанопористые структуры, нанопроволоки, нанотрубки, нановолокна, тонкие пленки и т. д.).
Срочно необходимо разработать многочисленные, экономичные, безопасные и экологически чистые альтернативы электродам для литий-ионных аккумуляторов, которые помогут решить будущий кризис материалов.
Безлитиевые аккумуляторные батареи
В последние десятилетия безлитиевые батареи, в которых используются ионы других щелочных и многовалентных металлов, таких как натрий (Na), калий (K), магний (Mg), алюминий (Al), цинк (Zn) и кальций (Ca), считаются надежными альтернативами электрохимическим системам хранения энергии из-за их естественного распространения, широкого географического распространения, низкой стоимости и сходства окислительно-восстановительного потенциала с литием в электрохимии.
Значительные усилия были направлены на нелитиевые перезаряжаемые батареи, особенно с использованием неорганических электродных материалов на основе обычных механизмов вставки.
Однако, как и в случае с будущими проблемами неорганических литий-ионных аккумуляторов, открытие устойчивых электродных материалов также важно для разработки следующего поколения надежных батарей с большой емкостью и высокой плотностью энергии.
В ответ на упомянутые выше проблемы в значительной степени желательно исследование новых окислительно-восстановительных химических реакций между носителями заряда и исходными материалами.
Зарядка аккумуляторов
Применение органических электродных материалов
Ограничения, присущие неорганическим электродным материалам, упомянутые выше, можно обойти, используя органические окислительно-восстановительные соединения.
Во-первых, многие органические соединения могут быть получены из натуральных продуктов путем прямой экстракции из природных продуктов и несложного синтеза и легко переработаны, демонстрируя небольшой углеродный след и экологичность.
Во-вторых, органические окислительно-восстановительные материалы естественным образом состоят из распространенных элементов (H, C, N, O, S).
В-третьих, органические соединения позволяют легко регулировать свой окислительно-восстановительный потенциал с помощью молекулярной инженерии и могут служить как катодом, так и анодом. Это позволяет рационально подобрать напряжение и электрохимические характеристики литий-ионного аккумулятора.
Что еще более важно, в отличие от сложных и медленных механизмов интеркаляции неорганических материалов, электрохимические процессы органических электродов обычно основаны на простых и быстрых окислительно-восстановительных реакциях, что обеспечивает высокую скорость и длительный срок службы.
Кроме того, органические материалы подходят для источников питания гибкой электроники, в то время как неорганические материалы по своей природе хрупкие.
Органические электродные материалы позволяют создать систему хранения с высокой плотностью энергии и мощности, не содержащую металлов, экологичную, гибкую, легкую и экономичную.
Что еще более важно, структурное разнообразие и простота органических молекул позволяют напрямую контролировать окислительно-восстановительные свойства и, следовательно, характеристики батареи.
За последние годы было разработано множество органических электродов, сочетающих в себе преимущества обычных литий-ионных аккумуляторов и органических материалов.
Производство литий-ионных аккумуляторных батарей
Органические полимеры
Полимеры уже много лет являются хорошо известными материалами для передовых приложений. Они являются универсальными материалами и легко поддаются формованию для любого требуемого применения.
Практически все коммерчески важные полимеры имеют перспективное применение. Полимерные композиты — быстро развивающаяся отрасль.
Полимерные электроды обладают дополнительными преимуществами по сравнению с органическими молекулами.
Хорошо известно, что органические полимеры легко образуют легкие для переработки пленки, пригодные для промышленного использования. Такие полимерные пленки весьма желательны для гибких устройств, позволяющих улучшить характеристики батареи.
Гибкие длинные цепи также могут размещать ионы электролита на электроде с быстрым переносом и высокой структурной целостностью.
Кроме того, полимерные материалы обычно вязкие в растворителях и могут служить в качестве связующих, которые обычно требуются для изготовления аккумуляторов.
Эти синергетические преимущества обеспечат высокую плотность энергии и мощности, а также отличные возможности скорости и цикла для литий-ионных аккумуляторов.
Образование полимеров должно решить проблему растворения органических соединений в электролитах.
В частности, карбонильные полимеры привлекли наибольшее внимание из-за их высокой емкости, быстрой окислительно-восстановительной кинетики, возможности проектирования цепей, структурного разнообразия и обильных ресурсов карбонилсодержащих мономеров.
Несмотря на то, что концепция карбонильных соединений в качестве аккумуляторных электродов восходит к 1970-м годам, прогресс в области органических металлоионных аккумуляторов, не содержащих лития, все еще находится на начальной стадии.
Среди различных окислительно-восстановительных полимеров карбонилсодержащие полимеры, особенно полихиноны и полиимиды, наиболее часто упоминаются как перспективные электродные материалы для металлоионных аккумуляторов.
Карбонильное использование полимеров сравнительно тщательно изучается с упором на улучшение электрохимической активности за счет цепной инженерии.
Текущие проблемы и вызовы, будущие возможности и перспективы окончательно определены в разработке карбонильных полимеров для высокопроизводительных аккумуляторов.
До практического применения карбонильных полимерных электродов для металлоионных аккумуляторов еще далеко. Захватывающие будущие достижения по-прежнему требуют постоянных инновационных усилий, которые позволят органическим полимерам стать устойчивыми электродными материалами для следующего поколения передовых аккумуляторных батарей.
Смотрите также: Аккумуляторы будущего: перспективные технологии накопления и хранения энергии