17 Мая 2019

Усовершенствованный Автомобильный Аккумулятор При Помощи Нанотехнологий

И Цуй, специалист по материаловедению и его компания Amprius пытаются вывести литий-ионные аккумуляторы - лучшую на сегодняшний день коммерческую технологию - на новый уровень  У них много поддержки в этом вопросе.  Крупные корпорации, такие как Panasonic, Samsung, LG, Apple и Tesla, стремятся сделать аккумуляторы меньше, легче и мощнее.  Но среди этих влиятельных игроков Цуй остается новаторской силой.

В отличие от других, которые сосредоточены на настройке химического состава электродов батареи или ее электролита, проводящего заряд, Цуй объединяет химический состав аккумуляторов с нанотехнологиями.  Он строит аккумуляторные электроды сложной структуры, которые могут впитывать и высвобождать ионы, несущие заряд, в больших количествах и быстрее, чем стандартные электроды, не вызывая неприятных побочных реакций.  «Он использует инновации в области нанотехнологий и использует их для управления химией», - говорит Вей Луо, специалист по материалам и  аккумуляторам в Университете штата Мэриленд, Колледж-Парк.

В серии лабораторных демонстраций Цуй показал, как его архитектурный подход к электродам может одомашнить целый ряд проблематичных химических аккумуляторов, над которыми долго мучились исследователи.  Среди них: литий-ионные аккумуляторы с электродами из кремния вместо стандартного графита, аккумуляторы с электродом из чистого лития и аккумуляторы, основанные на химии лития-серы, которые потенциально более мощные, чем любые литий-ионные аккумуляторы.  Исследуемые им наноразмерные архитектуры включают кремниевые нанопроволоки, которые расширяются и сжимаются при поглощении и крошечные яйцеподобные структуры с углеродными оболочками, защищающими литиевые кремниевые желтки.

Amprius уже поставляет батареи для телефонов с кремниевыми электродами, которые хранят на 10% больше энергии, чем обычные литий-ионные аккумуляторы, признанные лучшими на рынке.  Еще один прототип превосходит стандартные батареи на 40%, и еще более усовершенствованные находятся в разработке. Пока что компания не производит аккумуляторы для электромобилей, но если технологии, которые Цуй исследует, оправдают их ожидания, компания может однажды поставить автомобильные аккумуляторы, способные накапливать до 10 раз больше энергии, чем сегодняшние лидеры. Это могло бы дать электромобилям по умеренной цене тот же диапазон, что и для моделей с газовым двигателем, - революционное достижение, которое могло бы помочь странам в обеспечении своих автопарков электричеством, которое обеспечивалось бы солнечной и ветровой энергией, что значительно сокращает выбросы углерода.

Цуй говорит, что когда он начал исследования он был мотивирован следующим образом: «Я хотел изменить мир, а также разбогатеть, но в основном изменить мир». Его цели выходят за рамки аккумуляторов.  Его лаборатория изучает нанотехнологические инновации, которые порождают начинающие компании, стремящиеся предоставить более дешевые и эффективные системы очистки воздуха и воды.  Но на сегодняшний день Цуй оставил свой самый яркий след на авто батареях.  Луо называет его подход «нетрадиционным и удивительным». Цзюнь Лю, ученый по материалам из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричленде, штат Вашингтон, выразил это более прямо: вклад нанотехнологиц Цуя в  аккумуляторы «огромен». Продвинуться в отрасли аккумуляторных технологий крайне сложно. Несмотря на то, что основное нововведение Кремниевой долины, компьютерный чип, в течение десятилетий демонстрировал экспоненциальный прирост производительности, а аккумуляторы отставали. Сегодня же лучшие литий-ионные аккумуляторы вмещают около 700 ватт-часов на литр.  Это примерно в 5 раз превышает плотность энергии никель-кадмиевых батарей с середины 1980-х годов - неплохо, но не захватывающе.  За последнее десятилетие удельная энергия лучших коммерческих аккумуляторов удвоилась.

Пользователи электромобилей хотят больше.  Ожидается, что к 2020 году рынок одних только ионно-литиевых батарей превысит 30 миллиардов долларов в год.  Рост производства электромобилей компаниями, в число которых входят Tesla, General Motors и Nissan, является одной из причин этого роста.

 Но сегодняшние модели оставляют желать лучшего.  Для Tesla Model S, в зависимости от конкретной модели, одни только аккумуляторы от 70 до 90 киловатт-часов весят 600 килограммов и стоят около 30 000 долларов от цены автомобиля, которая может превышать 100 000 долларов.  Тем не менее, они могут проехать на автомобиле всего около 400 километров без подзарядки, что значительно меньше, чем у многих обычных автомобилей.  Nissan Leaf намного дешевле, с указанной стоимостью около $ 29 000.  Но с меньшим батарейным блоком, его диапазон составляет лишь около 1/3 от Tesla.

Улучшение аккумулятора может оказать существенное влияние. Удвоение плотности энергии аккумулятора позволило бы автомобильным компаниям сохранить длительность вождения, уменьшив вдвое размер и стоимость аккумулятора, или оставив размер аккумулятора как есть, но удвоив диапазон автомобиля.  «Наступает эпоха электромобилей», - говорит Цуй.  Но для того, чтобы они смогли вытеснить своих `предшественников`, «мы должны стараться лучше».

Он понял эту необходимость ещё в начале своей карьеры. После получения степени бакалавра в его родном Китае в 1998 году Цуй перебрался сначала в Гарвардский университет, а затем в Калифорнийский университет (Беркли), чтобы получить степень доктора философии и постдокторат в лабораториях, которые в то время только начали синтез наноразмерных материалов.  Это были первые дни нанотехнологий, когда исследователи изо всех сил пытались понять, как создавать именно те материалы, которые им нужны, а мир приложений только начинал формироваться.

Находясь в Беркли, Цуй проводил время с коллегами по соседству в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL).  В то время директором LBNL был Стивен Чу, который подтолкнул лабораторию в направление создания технологий использования возобновляемых источников энергии, способных бороться с изменением климата, в том числе более качественных батарей для хранения чистой энергии.  (Чу позже имел честь выполнять обязанности министра энергетики президента Барака Обамы с 2009 по 2013 год.)

"Вначале я и не думал об энергии.  Я никогда не работал над аккумуляторами », - говорит Цуй.  Но Чу и другие впечатлили его, тем что нанотехнологии могут дать аккумуляторам преимущество.  Как сейчас говорит Чу, эти технологии позволяют исследователям контролировать не только химический состав материалов в самых маленьких масштабах, но и расположение атомов внутри них - и, следовательно, как работают химические реакции.

Когда устройство, скажем, электроинструмент или автомобиль, включено и требует энергии, батарея разряжается: атомы лития в графите отдают электроны, которые проходят через внешнюю цепь к катоду.  Тем временем ионы лития выскальзывают из графита и проникают через электролит и сепаратор к катоду, где они встречаются с электронами, которые совершили путешествие по цепи.

Графит - это современный, постоянно используемый анодный материал, за счёт своей высокой проводимости и поэтому он легко передает собранные электроны в металлические провода в цепи. Требуется 6 атомов углерода в графите, чтобы удержать один ион лития.  Эта слабая хватка ограничивает количество лития, которое может удерживать электрод, и, следовательно, мощность аккумулятора.

У кремния есть потенциал быть намного полезнее.  Каждый атом кремния может связываться с четырьмя ионами лития.  В принципе это означает, что кремниевый анод может хранить в 10 раз больше энергии, чем анод из графита.  Электрохимики десятилетиями безуспешно боролись за использование этой огромной способности.

Достаточно легко сделать аноды из кусочков кремния; проблема в том, что аноды не долговечны.  Когда батарея заряжена и ионы лития устремляются связываться с атомами кремния, материал анода набухает на 300%.  Затем, когда ионы лития выбрасываются во время цикла разрядки аккумулятора, анод снова быстро сжимается.  После всего лишь нескольких циклов таких пыток кремниевые электроды разрушаются и в конечном итоге распадаются на крошечные, изолированные зерна.  Анод и аккумулятор рушатся и умирают.

Цуй думал, что он сможет решить эту проблему. Его опыт работы в Гарварде и Калифорнийском университете в Беркли научил его тому, что наноматериалы часто ведут себя не так, как обыкновенные материалы.  Для начала, у них гораздо более высокий процент атомов на их поверхности по сравнению с их числом внутри. А поскольку у поверхностных атомов меньше соседей, фиксирующих их на месте, они могут легче перемещаться в ответ на напряжения и деформации.  Другие типы атомного движения объясняют, почему тонкие листы алюминиевой фольги или бумаги могут, не ломаясь сгибаться, в отличие от кусков алюминиевого металла или дерева.

В 2008 году Цуй полагал, что изготовление кремниевого анода из наноразмерных кремниевых проволок может уменьшить напряжение и деформацию, которые распыляют объемные кремниевые аноды.  Стратегия сработала.  В статье, опубликованной в журнале «Nature Nanotechnology», Цуй и коллеги показали, что когда ионы лития перемещались в кремниевые нанопроволоки и из них, нанопроволоки получали минимальный ущерб.  Даже после 10 повторных циклов зарядки и разрядки анод сохранил 75% своей теоретической емкости накопления энергии.

К сожалению, кремниевые нанопроволоки гораздо сложнее и дороже в изготовлении, чем объемный кремний.  Цуй и его коллеги начали разрабатывать способы изготовления более дешевых кремниевых анодов.  Во-первых, они нашли способ изготовления анодов литий-ионных аккумуляторов из сферических наночастиц кремния. Несмотря на то, что они потенциально дешевле, они столкнулись со второй проблемой: сжатие и набухание наночастиц, во время перемещения атомов лития внутрь и наружу, что образовывало трещины в клее, который связывал наночастицы вместе.  Жидкий электролит просачивался между частицами, вызывая, так называемую, твердую электролитную межфазу, которая в конечном итоге становилась достаточно толстой, чтобы нарушить способность анода собирать заряд.  «Это похоже на рубцовую ткань», - говорит Ючжан Ли, аспирант лаборатории Цуя.

Спустя несколько лет Цуй и его коллеги нашли другое нанотехнологическое решение.  Они создали яйцевидные наночастицы, окружая каждую из своих крошечных кремниевых наночастиц - желтком - высокопроводящей углеродной оболочкой, через которую легко могут проходить ионы лития.  Оболочка давала атомам кремния в желточном пространстве достаточно места для набухания и сжатия, одновременно защищая их от электролита и реакций, которые вызывают ту самую межфазу.  В статье 2012 года, опубликованной в Nano Letters, команда Цуя сообщила, что после 1000 циклов зарядки и разрядки их анод из желтковой оболочки сохранил 74% своей емкости.

Они ещё больше преуспели 2 года спустя. Они собирали гроздья своих наночастиц в оболочке из желтка в микрометровые коллекции, напоминающие миниатюрный гранат. Группа кремниевых сфер увеличила емкость анода для хранения лития и уменьшила нежелательные побочные реакции с электролитом. В февральском выпуске Nature Nanotechnology за 2014 год группа сообщила, что аккумуляторы на основе нового материала сохранили 97% своей первоначальной емкости после 1000 циклов зарядки и разрядки.

Накануне 2018 года, Цуй и его коллеги сообщили о решении, которое превосходит даже их сложные сборки а-ля `гранат`.  Они просто забивали крупные частицы кремния до микрометрового масштаба, а затем оборачивали их в тонкие углеродные листы, сделанные из графена.  Забитые частицы оказываются крупнее кремниевых сфер - настолько крупнее, что они разрушаются уже после нескольких циклов зарядки.  Но графеновая обёртка препятствовала тому, чтобы соединения электролита достигли кремния. Она также была достаточно гибкой, чтобы поддерживать контакт с разрушенными частицами и, таким образом, переносить их заряды на металлические провода.  Более того, группа сообщила в журнале Nature Energy, что более крупные частицы кремния упаковывают больше массы - и, следовательно, больше энергии - в заданный объем, и они гораздо дешевле и проще в изготовлении, чем предыдущие кремниевые сферы.  «Цуй направил эту работу в верное направлении», - говорит Джун Лю.

Опираясь на такие идеи, Компания Amprius собрала более 100 миллионов долларов для коммерциализации литий-ионных батарей с кремниевыми анодами.  Компания уже производит аккумуляторы для мобильных телефонов в Китае и продала более 1 миллиона из них, говорит Сонг Хан, технический директор компании.  Аккумуляторы, основанные на простых кремниевых наночастицах, которые дешевы в изготовлении, на 10% лучше современных литий-ионных элементов.  Но в штаб-квартире Amprius Хан продемонстрировал прототипы нанопроволок-кремния, которые на 40% лучше.  И они, по его словам, все еще представляют собой только начало того, какими хорошими будут кремниевые аноды.

Сейчас Цуй старается выйти за границы кремния.  Одна из задач состоит в том, чтобы изготовить аноды из чистого металлического лития, который долгое время рассматривался в качестве основного материала анода, поскольку он способен сохранять даже больше энергии, чем кремний, и гораздо легче, но пока это ещё лишь идеи.

По словам Цуя, в будущем  он надеется создать дешевые аккумуляторы большой емкости, которые могли бы революционно изменить способы питания устройств в мире.  «Мы думаем, что если мы сможем привести это в работу, это окажет большое влияние», - говорит Цуй.

Ближайшие события

Все события
Новые книги

Свежие новости

Читать все новости