Твердотельные батареи считаются маяком надежды в исследованиях аккумуляторов, потому что, среди прочего, они могут хранить больше энергии и быстрее заряжаться, чем обычные жидкие электролиты.
Заведующий отделом методологии и исследования электролитов доктор Гюнтер Брунклаус из Института Гельмгольца в Мюнстере (HI MS; IEK-12) Исследовательского центра Юлиха объясняет в интервью, почему он уделяет особое внимание полимерным электролитным материалам, что еще нужно сделать . необходимо сделать до того, как они будут признаны готовыми к выходу на рынок, и какие области применения твердотельных батарей ожидаются в будущем.
Какие надежды сейчас обсуждаются в отношении твердотельных аккумуляторов, каков их потенциал?
Гюнтер Брунклаус: Одна из надежд заключается, прежде всего, в том, что в твердых электролитах может быть сохранено большее количество энергии при сравнимом количестве материала, чем в обычных аккумуляторных системах с жидкими электролитами. Это означает, что , например, в мобильных приложениях можно достичь большей дальности действия . Меньшее количество материала может привести к снижению выбросов CO 2 при производстве, а также возможна более быстрая зарядка, чем при использовании жидких электролитов.
Почему можно хранить большее количество энергии?
Брунклаус: Например, можно использовать другие материалы анода, такие как металлический литий, который обеспечивает значительно более высокую удельную емкость по сравнению с обычно применяемыми графитовыми анодами. Со стороны катода есть возможность использовать материалы, ранее не работавшие с жидкими электролитами. Между прочим, твердотельные батареи уже используются в таких приложениях, как кардиостимуляторы и умные часы.
С этими приложениями сразу приходит на ум тема безопасности. Здесь тоже есть плюсы?
Брунклаус: Да. Во-первых, можно обойтись без легколетучих жидких материалов. Это снижает риск возможного самовозгорания, а также общую пожароопасность, так как жидкие компоненты могут быстрее улетучиваться при аварии, например, вызывая короткие замыкания в ячейках в отличие от твердых компонентов.
В механических испытаниях с ударом гвоздя по элементам батареи даже было показано, что отдельные полимерные твердые частицы, в частности, достаточно безопасны из-за свойств самовосстановления, благодаря которым они могут изолировать источник возгорания посредством химических реакций, тем самым останавливая огонь при одновременном возгорании . позволяя ячейке батареи продолжать работу. Кроме того, при выборе материалов электродов, которые не подходят для жидких электролитов, следует учитывать аспекты безопасности.
Для каких других применений подходят твердотельные батареи?
Брунклаус: Прежде всего, я хотел бы сказать, что не существует такой вещи, как одна идеальная клеточная химия для всех возможных сценариев применения. Каждое приложение ставит свои задачи, поэтому разные решения имеют свое обоснование. В дополнение к их текущему использованию в области медицины и в умных часах, твердые вещества подходят для автомобильных аккумуляторов в контексте электромобилей, для использования в стационарных накопителях энергии, например, в качестве буферной емкости при производстве возобновляемой энергии, а также для сотовых телефонов. и электроинструменты.
Аккумуляторные элементы на полимерной основе уже сегодня используются, например, в электрифицированных автобусах. Аккумуляторы транспортных средств должны легко и быстро заряжаться, в то время как стационарные аккумуляторы могут заряжаться медленнее. Здесь важны и другие свойства, например, дешевизна и экологичность производства. В случае сотовых телефонов требуется компромисс между быстрой зарядкой и высокой емкостью зарядки в небольшом пространстве.
Каковы направления научных исследований на вашем факультете в настоящее время?
Брунклаус: Мы разрабатываем методы, чтобы лучше понять процессы переноса заряда или другие химические процессы, которые противодействуют долговечности или работе батареи. К ним относятся спектроскопия электрохимического импеданса и методы магнитного резонанса. Все это в совокупности помогает нам разрабатывать различные конструкции ячеек, каждая из которых открывает свои возможности применения. На заводе HI MS в Мюнстере мы также уделяем большое внимание производству и оптимизации полимерных электролитов и защитных покрытий.
Что могут полимерные электролиты в отличие от других твердых тел?
Брунклаус: Преимущество их в том, что они имеют гибкую форму и могут использоваться, например, в качестве так называемой структурной батареи в авиации. Можно было бы установить их в стенке электронного самолета. Благодаря своей химической изменчивости полимеры обладают практически неограниченным запасом различных структур и функциональных групп и, таким образом, предлагают многочисленные варианты адаптации к требуемым свойствам возможных применений.
С другой стороны, твердые керамические электролиты могут сломаться в самолете. Текучие свойства полимеров служат, так сказать, для заполнения любых пробелов в системе аккумуляторных элементов, которые могут быть, например, у пористых электродов, изготовленных из углерода или сероуглеродного композитного материала. Таким образом, не используются неиспользуемые объемы и высокое сопротивление переносу заряда.
С какими самыми большими проблемами вы сталкиваетесь при разработке полимерных электролитов?
Брунклаус: Есть две основные строительные площадки. Во-первых, ионная проводимость, важная для высокой производительности и быстрой зарядки, должна быть дополнительно увеличена. Однако макроскопическая проводимость основного электролита является здесь не единственным решающим фактором, а именно динамикой переноса заряда на границах раздела с электродом, которая должна обеспечивать высокие токи при быстрой зарядке элементов.
Во-вторых, материал должен быть экономически эффективно увеличен до килограммового диапазона для определенных применений, таких как стационарное хранение, без ущерба для качества, а также должны быть адаптированы варианты обработки материалов во время производства ячеек. В обозримом будущем текучие компоненты, такие как олигомеры с более короткой цепью, вероятно, потребуются в области катода, чтобы обеспечить высокие плотности тока. Для работы на этих многочисленных строительных площадках требуется сотрудничество в разных местах.
Какие кооперации существуют?
Брунклаус: В рамках кластера компетенций BMBF FestBatt, например, Институт Гельмгольца в Мюнстере, Технологический институт Карлсруэ (KIT), Институт Гельмгольца в Ульме (HIU), а также Университет Дуйсбург-Эссен и другие известные учреждения сотрудничают для разрабатывать научно-технические решения для твердотельных аккумуляторов.
В целом, цель состоит в том, чтобы, так сказать, открыть мир полимеров, а также области других классов материалов и реализовать как можно больше вариантов систем аккумуляторных элементов с точки зрения вариантов применения. С этой целью мы объединяем наш опыт в области материалов в области полимеров, гибридов, керамики, дизайна ячеек и аналитики. Сочетание теории и эксперимента также важно и поддерживается нашим сотрудничеством.
Например, практические макроскопические методы хорошо дополняются компьютерным моделированием в микроскопическом диапазоне, включая подходы «машинного обучения».