Твердотельные литиевые батареи являются перспективными решениями для хранения энергии, которые используют твердые электролиты в отличие от жидких или гелевых электролитов, используемых в традиционных литий-ионных батареях (LiB). По сравнению с LiB и другими батареями, которые используются во всем мире, эти батареи могут достигать значительно более высокой плотности энергии более 500 Вт·ч/кг −1 и 1000 Вт·ч/л −1 , что может быть выгодно для питания электромобилей и другой электроники в течение более длительных периодов времени.
Несмотря на свои возможные преимущества, существующие твердотельные литиевые батареи демонстрируют существенные ограничения, которые до сих пор мешали их широкомасштабному развертыванию. К ним относятся активная потеря лития, которая может происходить во время зарядки и разрядки батарей, что может снизить их эффективность и общую производительность.
Эта потеря лития вызвана неоднородным литиевым покрытием. Разработка эффективных стратегий и тонких литиевых металлических фольг, которые могли бы ограничить потерю лития в твердотельных батареях, является, таким образом, ключевой целью для сообщества исследователей в области энергетики.
Исследователи из Оксфордского университета, Института Фарадея, Nissan Motor Co. Ltd. и других исследовательских институтов недавно провели исследование, изучающее различные технологии и процессы создания тонких литий-металлических анодов для твердотельных аккумуляторов. Их статья, опубликованная в Nature Energy , суммирует результаты подробного технического и экономического анализа, предполагая, что термическое испарение может быть многообещающей стратегией для масштабируемого изготовления этих пленок.
«Твердотельные литий-металлические батареи демонстрируют существенные перспективы в преодолении теоретических ограничений литий-ионных батарей, позволяя достигать гравиметрической и объемной плотности энергии свыше 500 Вт·ч·кг −1 и 1000 Вт·ч·л −1 соответственно», — пишут Мэтью Бертон, Сударшан Нараянан и их коллеги в своей статье.
«Хотя конфигурации с нулевым избытком лития особенно привлекательны, неоднородное покрытие лития при заряде приводит к потере активного лития и последующему снижению кулоновской эффективности».
Текущие подходы к решению проблемы активных потерь лития, наблюдаемых в твердотельных батареях, основаны на использовании избыточного лития. Однако избыточный литий отрицательно влияет на плотность энергии батарей, поэтому надежное изготовление литиевых фольг с ограниченной толщиной имеет первостепенное значение.
Бертон, Нараянан и их коллеги провели различные анализы и расчеты, направленные на изучение потенциала различных методов и технологий производства этих тонких литиевых пленок в больших масштабах. Их анализы показывают, что термическое испарение может быть особенно многообещающим и экономически эффективным методом для создания этих ключевых компонентов твердотельных аккумуляторов.
«Мы обсуждаем жизнеспособность различных технологий для создания тонких литиевых пленок, которые можно масштабировать до объемов, необходимых для гигафабрикного производства», — пишут Бертон, Нараянан и их коллеги.
«Мы определяем термическое испарение как потенциально экономически эффективный способ решения этих проблем и предоставляем технико-экономическую оценку прогнозируемых затрат, связанных с изготовлением тонкой, плотной фольги металлического лития с использованием этого процесса. Наконец, мы оцениваем затраты на твердотельные пакеты, изготовленные с использованием литиевой фольги, полученной термическим испарением».
Статья Бертона, Нараянана и их коллег может вдохновить будущие усилия, направленные на разработку масштабируемых твердотельных литиевых батарей, например, поощряя больше исследователей создавать аноды из лития с термическим испарением. В конечном итоге это может помочь улучшить производительность и надежность этих перспективных решений для батарей, что, в свою очередь, может способствовать их коммерциализации и широкому внедрению.
