1. В настоящее время наиболее распространенный материал анода: графит
Литий-ионные аккумуляторы в ваших телефонах и компьютерах почти всегда используют графит в качестве отрицательного электрода. Почему именно графит?
• Преимущества: Графит — «ветеран» — его слоистая структура (похожая на стопку бумаги) позволяет ионам лития легко «всверлить» межслоевые промежутки и сохранять стабильность (образуя соединения LiC₆). Он также недорогой, химически стабильный, демонстрирует минимальное изменение объема при заряде и разряде (всего около 10%) и обладает длительным циклическим ресурсом (обычно более 1000 циклов заряда и разряда).
• Недостатки: Ограниченная «емкость» — теоретически 1 грамм графита может хранить не более 372 мА·ч энергии (технически это называется «удельной емкостью 372 мА·ч/г»), что затрудняет удовлетворение потребности в «удвоении запаса хода» электромобилей.
2. Появляющийся «потенциальный запас»: материалы на основе кремния
Для увеличения ёмкости аккумуляторов учёные обращаются к кремнию — его «ёмкость хранения» более чем в 10 раз превышает ёмкость графита (теоретическая удельная ёмкость 4200 мА·ч/г). Один грамм кремния может хранить в 10 раз больше ионов лития, чем графит! • Почему кремний не получил широкого распространения? У кремния есть серьёзная проблема: «расширение хранилища». Когда ионы лития попадают в кремний, его объём увеличивается на 300% (эквивалентно яблоку, разрастающемуся до размеров арбуза), что приводит к разрушению материала и быстрому выходу аккумулятора из строя.
• Решение: учёные создают на кремнии защитную оболочку, например, формируя наночастицы кремния (для снижения напряжения расширения), смешивая его с графитом (композит из кремния и углерода) или покрывая слоем углерода (для стабилизации структуры). В настоящее время в некоторые аккумуляторы для электромобилей добавляют небольшое количество кремния (5–10%), что может увеличить срок службы аккумулятора на 10–20%.
3. Акцент на «безопасности и долговечности»: материалы на основе титана (титанат лития)
В некоторых областях применения (например, в автобусах и электростанциях с накопителями энергии) безопасность и долговечность аккумуляторов имеют более важное значение. Именно здесь титанат лития (Li₄Ti₅O₁₂, сокращенно LTO) оказывается весьма полезным. • Преимущества: Это материал с «нулевой деформацией» — его объем практически не меняется (<1%) при поступлении и оттоке ионов лития, что обеспечивает чрезвычайно длительный срок службы (более 10 000 циклов зарядки и разрядки). Высокое рабочее напряжение (1,55 В по сравнению с металлическим литием) предотвращает опасное образование литиевых дендритов (которые могут пробить аккумулятор и вызвать короткое замыкание), которое может возникнуть в графите из-за низкого напряжения. • Недостатки: его «ёмкость» мала (всего 175 мА·ч/г, что вдвое меньше, чем у графита), а низкая проводимость и медленная скорость зарядки делают его подходящим в первую очередь для приложений с высокими требованиями к сроку службы и безопасности, но низкой плотностью энергии.
4. Другие «потенциальные игроки»
Помимо упомянутых выше материалов, учёные также исследуют родственные кремнию материалы (такие как олово и германий, которые также обладают высокой удельной ёмкостью, но также страдают от проблем с объёмным расширением), двумерные материалы (такие как максены, обладающие превосходной проводимостью и способные хранить больше ионов лития между слоями) и чёрный фосфор (теоретическая ёмкость которого в семь раз превышает ёмкость графита, но он легко окисляется). Эти материалы в настоящее время находятся на стадии лабораторных исследований и требуют решения таких проблем, как стабильность и стоимость.
В настоящее время графит занимает более 90% доли коммерческого рынка благодаря своим сбалансированным характеристикам (ёмкость, срок службы и стоимость). Материалы на основе кремния, благодаря своей высокой ёмкости (4200 мАч/г), являются основным направлением для анодов следующего поколения (ожидается, что содержание кремния превысит 20% к 2030 году). Материалы на основе титана (LTO) подходят для приложений, требующих чрезвычайно высокой безопасности и срока службы, таких как накопители энергии и коммерческий транспорт. Будущая тенденция развития анодных материалов направлена на композитные материалы (такие как кремний-углеродные композиты и углерод-титановые композиты). Объединяя несколько материалов для компенсации недостатков отдельных материалов, компания стремится достичь баланса высокой ёмкости, длительного срока службы и низкого расширения. Благодаря технологическим прорывам и политической поддержке, анодные материалы для литиевых аккумуляторов ведут новую энергетическую отрасль к будущему с более высокой плотностью энергии, большей безопасностью и большей устойчивостью.