Разработка безопасных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов

Развивается мировой тренд перехода транспорта от двигателей внутреннего сгорания к электродвигателям. Для массового перехода от бензиновых и дизельных двигателей к электродвигателям, устанавливаемым на автомобилях и автобусах, необходимо снизить себестоимость изготовления литий-ионных аккумуляторов. Сделать это можно, заменив дорогостоящий и дефицитный катодный материал на основе кобальта на другой, более дешевый. Другой проблемой является повышение безопасности батарей.

Мировым лидером по производству литий-ионных аккумуляторов является Китай. Там уже работают заводы по изготовлению электромобилей, электровелосипедов и самокатов. Это огромный рынок.

В Петербурге идут научные исследования в этом направлении. Рассказывает Анатолий Попович, директор Института машиностроения, материалов и транспорта Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого:

«Мы ведем разработку научно-технологических основ создания новых видов нанокомпозиционных электродных материалов для литий-ионных полимерных аккумуляторов повышенной эффективности с применением функциональных покрытий. Полученный нами материал обладает повышенными эксплуатационными и функциональными характеристиками.

У меня очень хорошие отношения с Китайской Народной Республикой, с моим учеником Ван Цин Шеном (Wang Qing Sheng), который защитил кандидатскую диссертацию по теме литий-ионных аккумуляторов в Политехническом университете. Сейчас он возглавляет крупные компании Китая. Чуть более пяти лет назад мы вместе с ним создали совместную российско-китайскую лабораторию, которая финансируется компанией Ван Цин Шена. В Китае на этой площадке создан совместный институт, где мы разрабатываем материалы для литий-ионных аккумуляторов. Ученые нашего Института в прошлом году прошли там стажировку. Теперь они продолжают разработку этой темы в Политехническом университете.

В этом проекте мы решаем три основные задачи. Во-первых, удешевление изготовления катодных материалов. Для этого разрабатываем новые нанокомпозиционные структуры. Во-вторых, увеличение ресурса батарей. Ведь чем выше ресурс батареи автомобиля, тем больше у него максимальный пробег без подзарядки. В-третьих, повышение безопасности. Многие производители аккумуляторов не афишируют эту проблему, но из сообщений прессы мы периодически узнаем, что взрываются изготовленные по традиционной технологии литий-ионные аккумуляторы смартфонов, автомобилей и других технических средств.

Сегодня наша компетенция связана не с технологией изготовления аккумуляторов, а с разработкой наноструктурированных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. У нас очень много патентов в этой области. Мы одними из первых стали призерами международного мегагранта по высоким технологиям, успешно провели исследования в рамках этого гранта.

Один из практических примеров успешной работы – разработка литий-ионных аккумуляторов для грузовых автомобилей КАМАЗ. В данной работе разрабатывается структура и управление тяговой аккумуляторной батареи с использованием литий-ионных ячеек с высокой плотностью энергии, в результате в аккумуляторной батарее количество запасаемой энергии составляет порядка 170 Втч/кг, что соответствует мировому уровню, например, в компании Tesla плотность энергии тяговой батареи – 178 Втч/кг.  Данные показатели удалось достигнуть благодаря тесной кооперации с моим учеником Ван Цин Шеном, который уже более 20 лет разрабатывает эту тему.

Очень важными являются работы по созданию безопасных литий-ионных аккумуляторов. В основу данной технологии, разработанной нами совместно с КНР, положены разработки Ван Цин Шена, признанного мировым авторитетом в этой теме. Прежде всего, решена проблема безопасности: если разрезать разработанную им литий-ионную аккумуляторную ячейку ножом, то ток есть, а короткого замыкания нет. Пробиваем гвоздем пластину с помощью молотка – дырка есть, ток есть, а замыкания нет. Даже при краш-тесте автомобиля аккумулятор не вызовает замыкания и взрыва».

Переход транспорта на электродвижение неизбежен. Конкуренция на этом рынке будет развиваться, поэтому вклад ученых очень важен.

Источник: Наука. Политех

Фото: КАМАЗ