«Мы заново изобрели этот процесс», — говорит Йет-Мин Чианг, профессор керамики Kyocera в Массачусетском технологическом институте и соучредитель 24M (а ранее — соучредитель аккумуляторной компании A123). По его словам, существующий процесс производства литий-ионных аккумуляторов практически не изменился за два десятилетия, прошедшие с момента изобретения технологии, и является неэффективным, поскольку включает больше этапов и компонентов, чем действительно необходимо.Новый процесс основан на концепции, разработанной пять лет назад Чиангом и его коллегами, включая В. Крейга Картера, профессора материаловедения и инженерии POSCO. В этой так называемой «проточной батарее» электроды представляют собой суспензии мельчайших частиц, переносимых жидкостью и прокачиваемых через различные отсеки батареи.
Новая конструкция батареи представляет собой гибрид проточных и обычных твердотельных батарей: в этой версии, хотя материал электрода не течет, он состоит из аналогичной полутвердой коллоидной суспензии частиц. Чан и Картер называют это «полутвердой батареей».Более простой производственный процессТакой подход значительно упрощает производство, а также делает батареи гибкими и устойчивыми к повреждениям, — говорит Чианг, старший автор статьи в Journal of Power Sources, в которой анализируются компромиссы, возникающие при выборе между твердотельными и проточными батареями, в зависимости от их конкретные применения и химические компоненты.
Этот анализ показывает, что, хотя система проточных батарей подходит для химического состава батарей с низкой плотностью энергии (тех, которые могут хранить только ограниченное количество энергии для данного веса), для устройств с высокой плотностью энергии, таких как литий-ионные батареи дополнительная сложность и компоненты потоковой системы добавят ненужных дополнительных затрат.Почти сразу после публикации более раннего исследования проточной батареи, Чан говорит: «Мы поняли, что лучший способ использовать эту технологию текучих электродов — это заново изобрести производственный процесс [литий-ионный]».Вместо стандартного метода нанесения жидких покрытий на рулон материала основы и последующего ожидания высыхания этого материала, прежде чем он сможет перейти к следующему этапу производства, новый процесс сохраняет материал электрода в жидком состоянии и не требует стадия сушки вообще. Используя меньшее количество электродов большей толщины, система уменьшает количество отдельных слоев в традиционной архитектуре батареи, а также количество нефункционального материала в структуре на 80 процентов.
Наличие электрода в виде крошечных взвешенных частиц вместо консолидированных пластин значительно сокращает длину пути заряженных частиц при их движении через материал — свойство, известное как «извилистость». Менее извилистый путь позволяет использовать более толстые электроды, что, в свою очередь, упрощает производство и снижает стоимость.
Гибкий и складнойПо словам Чанга, помимо оптимизации производства, позволяющей вдвое сократить расходы на аккумуляторные батареи, новая система позволяет производить более гибкие и устойчивые аккумуляторные батареи. В то время как обычные литий-ионные батареи состоят из хрупких электродов, которые могут треснуть под нагрузкой, новая формула позволяет получить элементы батареи, которые можно сгибать, складывать или даже пробивать пули без сбоев.
По его словам, это должно улучшить как безопасность, так и долговечность.На данный момент компания произвела около 10 000 аккумуляторов на своих прототипах сборочных конвейеров, большинство из которых проходят испытания у трех промышленных партнеров, включая нефтяную компанию в Таиланде и японского производителя тяжелого оборудования IHI Corp. Этот процесс получил восемь патентов и 75 дополнительные патенты на рассмотрении; 24M привлекла 50 миллионов долларов финансирования от венчурных компаний и гранта Министерства энергетики США.
Первоначально компания уделяет особое внимание сетевым установкам, которые используются для сглаживания энергетических нагрузок и обеспечения резервных источников возобновляемой энергии, которые производят прерывистую выработку, таких как ветровая и солнечная энергия. Но Чан говорит, что эта технология также хорошо подходит для приложений, где вес и объем ограничены, например, в электромобилях.
Еще одно преимущество этого подхода, по словам Чанга, заключается в том, что предприятия, использующие этот метод, могут быть увеличены путем простого добавления идентичных единиц. При традиционном производстве литий-ионных аккумуляторов с самого начала необходимо строить крупномасштабные предприятия, чтобы снизить удельные затраты, поэтому они требуют гораздо больших начальных капитальных затрат. К 2020 году, по оценкам Чанга, 24M сможет производить батареи по цене менее 100 долларов за киловатт-час емкости.
Венкат Вишванатан, доцент кафедры машиностроения в Университете Карнеги-Меллона, который не участвовал в этой работе, говорит, что анализ, представленный в новой статье, «затрагивает очень важный вопрос: когда лучше построить проточную батарею, а не статическую модель. … Этот документ послужит ключевым инструментом для принятия дизайнерских решений и принятия беспроигрышных решений ».Вишванатан добавляет, что новая конструкция батарей 24M «может нанести такой же ущерб производству [литий-ионных] батарей, как то, что мини-заводы сделали для интегрированных сталелитейных заводов».Помимо Чанга, соавторами статьи «Источники энергии» являются аспирант Брэндон Хопкинс, профессор машиностроения Александр Слокум и Кайл Смит из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн.
Работа была поддержана Центром исследований по хранению энергии Министерства энергетики США, расположенным в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.