В МФТИ разработали аккумулятор с повышенной мощностью и защитой от перегрева

Новости МирТесен

В рамках проекта ФПИ специалисты Института электродвижения МФТИ провели исследования «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.

«Предложенная технология решает ключевые недостатки современных аккумуляторов: она обеспечивает большую безопасность и демонстрирует значительно увеличенный срок службы при интенсивной разрядке», — поясняет Анатолий Матвеев, руководитель проекта Центра развития перспективного материаловедения ФПИ.

Современные литий-ионные аккумуляторы, применяемые в смартфонах, электромобилях и других устройствах, демонстрируют предел своих возможностей в плане энергоемкости. К тому же, они представляют опасность возгорания: в их конструкции используется жидкий электролит, который способен воспламениться при перегреве или механических повреждениях.

В рамках проекта ФПИ «Сапфир-Д» специалисты Института электродвижения МФТИ нашли способ преодолеть существующие ограничения, применив квазитвердый электролит вместо жидкого и модифицировав конструкцию электродов.

Полимер-керамическая мембрана служит основой твёрдого электролита в аккумуляторной батарее. Эта мембрана выполняет функцию физического барьера между катодом и анодом, исключая возможность короткого замыкания, одновременно обеспечивая прохождение ионов лития.

Вместо традиционных катодов, состоящих из мелких кристаллов, склонных к разрушению, исследователи применили крупные кристаллы сложного оксида с увеличенным содержанием никеля. Это обеспечивает более короткие и равномерные каналы для перемещения ионов лития, благодаря чему батарея заряжается и разряжается быстрее, и ее долговечность возрастает.

Поверхность токосъемника анода обрабатывается композитным материалом, содержащим углерод и наночастицы серебра. Это обеспечивает равномерное восстановление ионов лития до металлической формы. В результате в ячейке образуется тонкий и устойчивый слой металлического лития.

«Мы объединяем сразу три технологических решения, гармонично сочетающихся друг с другом. Особый состав электролита, дополненный жидким пластификатором, гарантирует высокую ионную проводимость и безопасность. Использование монокристаллического катода обеспечивает возможность работы при повышенных токах и существенно продлевает срок службы. Покрытие анода из углерода и наночастиц серебра позволяет равномерно осаждать литий и применять безанодную конструкцию без массивной литиевой фольги. Это увеличивает энергетическую плотность и уменьшает затраты », — рассказал Виктор Визгалов, руководитель лаборатории пост-литий-ионных электрохимических систем Института электродвижения МФТИ.

По результатам лабораторных исследований установлено, что удельная энергия значительно превышает показатели лучших образцов литий-ионных аккумуляторов, применяемых в серийном производстве. Использование квазитвердотельного электролита взамен жидкого горючего позволяет практически полностью устранить опасность возгорания.

Создание надёжных аккумуляторов необходимо для обеспечения безопасности электротранспорта, авиационных систем, наземных и морских робототехнических комплексов и других устройств. Также аккумуляторы могут применяться в стационарных системах хранения энергии, например, на солнечных электростанциях.

Первый этап проекта успешно выполнен: образцы батарей были созданы и проверены учеными. Следующий этап предполагает создание опытного образца оборудования и расширение возможностей разработанной технологии. На площадке промышленного партнера АО «МЕТАЛИОН» разработан производственный участок для совершенствования и выпуска пост-литий-ионных источников энергии, включая твердотельные аккумуляторы. Выход на рынок запланирован на 2028 год.