Удвоение мощности батарей бытовой электроники
| Jerry Huang
Новые литий-металлические батареи могут увеличить срок службы смартфонов, дронов и электромобилей вдвое.
Компания, созданная на базе Массачусетского технологического института, готовится к коммерциализации новой перезаряжаемой литий-металлической батареи, которая обладает вдвое большей энергетической емкостью, чем литий-ионные батареи, используемые во многих современных бытовых электронных устройствах.
Компания SolidEnergy Systems, основанная в 2012 году выпускником Массачусетского технологического института и бывшим постдоком Цичао Ху (выпуск 2007 года), разработала литий-металлическую батарею без анода, обладающую рядом усовершенствований в материалах, благодаря чему она вдвое более энергоемка, но при этом столь же безопасна и долговечна, как литий-ионные батареи, используемые в смартфонах, электромобилях, носимых устройствах, дронах и других гаджетах.
«Благодаря удвоенной плотности энергии мы можем создать батарею вдвое меньшего размера, но при этом она будет работать столько же времени, сколько литий-ионная батарея. Или мы можем создать батарею того же размера, что и литий-ионная, но теперь она будет работать вдвое дольше», — говорит Ху, соавтор изобретения батареи в Массачусетском технологическом институте и нынешний генеральный директор SolidEnergy.
По сути, в этой батарее распространенный материал анода — графит — заменен на очень тонкую, высокоэнергетическую литий-металлическую фольгу, которая может удерживать больше ионов и, следовательно, обеспечивать большую энергетическую емкость. Химические модификации электролита также делают обычно недолговечные и нестабильные литий-металлические батареи перезаряжаемыми и более безопасными в использовании. Кроме того, батареи производятся с использованием существующего оборудования для производства литий-ионных батарей, что делает их масштабируемыми.
В октябре 2015 года компания SolidEnergy продемонстрировала первый в истории рабочий прототип перезаряжаемой литий-металлической батареи для смартфонов с удвоенной плотностью энергии, что принесло ей более 12 миллионов долларов от инвесторов. При размере вдвое меньше литий-ионной батареи, используемой в iPhone 6, она обеспечивает 2,0 ампер-часа по сравнению с 1,8 ампер-часами у литий-ионной батареи.
Компания SolidEnergy планирует начать использовать батареи в смартфонах и носимых устройствах в начале 2017 года, а в электромобилях — в 2018 году. Но первым применением станут дроны, которые появятся в ноябре этого года. «Несколько клиентов используют дроны и воздушные шары для обеспечения бесплатного доступа в Интернет в развивающихся странах, а также для проведения обследований в рамках оказания помощи при стихийных бедствиях», — говорит Ху. «Это очень интересное и благородное применение».
По словам Ху, установка этих новых батарей в электромобили может оказать «огромное влияние на общество»: «Согласно отраслевым стандартам, электромобили должны проезжать не менее 200 миль на одной зарядке. Мы можем уменьшить размер и вес батареи вдвое, и она будет проезжать то же расстояние, или же, если мы уменьшим ее размер и вес, она сможет проехать 400 миль на одной зарядке».
Доработка «святого Грааля» батарей.
Исследователи на протяжении десятилетий пытались создать перезаряжаемые литий-металлические батареи из-за их большей энергетической емкости, но безуспешно. «Это своего рода священный Грааль для батарей», — говорит Ху.
В частности, металлический литий плохо реагирует с электролитом батареи — жидкостью, проводящей ионы между катодом (положительным электродом) и анодом (отрицательным электродом) — и образует соединения, которые увеличивают сопротивление в батарее и сокращают срок службы. Эта реакция также приводит к образованию на аноде мшистых металлических бугорков, называемых дендритами, что вызывает короткие замыкания, генерирует сильный нагрев, который воспламеняет легковоспламеняющийся электролит, и делает батареи, как правило, неперезаряжаемыми.
Меры, принимаемые для повышения безопасности батарей, достигаются за счет снижения их энергетических характеристик, например, замена жидкого электролита на плохо проводящий твердый полимерный электролит, который необходимо нагревать до высоких температур для работы, или на неорганический электролит, который трудно масштабировать.
Работая в качестве постдока в группе профессора Массачусетского технологического института Дональда Садовая, известного исследователя батарей, разработавшего несколько типов батарей на основе расплавленных солей и жидких металлов, Ху внес значительный вклад в разработку ряда ключевых конструктивных и материальных усовершенствований литий-металлических батарей, которые легли в основу технологии SolidEnergy.
Одно из нововведений заключалось в использовании сверхтонкой литиевой металлической фольги в качестве анода, которая примерно в пять раз тоньше традиционного литиевого металлического анода и в несколько раз тоньше и легче традиционных графитовых, углеродных или кремниевых анодов. Это позволило уменьшить размер батареи вдвое.
Но оставался ещё один серьёзный недостаток: батарея работала только при температуре 80 градусов Цельсия и выше. «Это стало непреодолимым препятствием», — говорит Ху. «Если батарея не работает при комнатной температуре, то её коммерческое применение будет ограничено».
Таким образом, Ху разработал гибридный электролит, сочетающий твердое и жидкое состояния. Он покрыл литиевую металлическую фольгу тонким твердым электролитом, который не требует нагревания для работы. Он также создал новый квазиионный жидкий электролит, который не воспламеняется, и внес дополнительные химические модификации в конструкцию сепаратора и ячейки, чтобы предотвратить его негативную реакцию с металлическим литием.
В итоге получилась батарея, обладающая преимуществами литий-металлических батарей по емкости, но с безопасностью и долговечностью литий-ионных батарей, способных работать при комнатной температуре. «Сочетание твердого покрытия и новых высокоэффективных ионно-жидкостных материалов стало основой для технологической разработки SolidEnergy», — говорит Ху.
Благословение в обличии несчастья
В деловой сфере Ху часто посещал Центр предпринимательства имени Мартина Траста при Массачусетском технологическом институте, чтобы получить ценные знания от наставников и инвесторов. Он также записался на курс 15.366 (Энергетические проекты), где сформировал команду для разработки бизнес-плана по созданию новой батареи.
Благодаря своему бизнес-плану команда заняла первое место в конкурсе акселераторов MIT $100K Entrepreneurship Competition и стала финалистом MIT Clean Energy Prize. После этого команда представляла MIT на национальном конкурсе Clean Energy Prize, проходившем в Белом доме, где заняла второе место. В конце 2012 года Ху готовился к запуску SolidEnergy, когда A123 Systems, известная компания, созданная на базе MIT и занимающаяся разработкой передовых литий-ионных батарей, объявила о банкротстве. Ситуация для компаний, занимающихся производством батарей, выглядела неблагоприятной. «Я не думал, что моя компания обречена, я просто думал, что она никогда даже не начнет свою деятельность», — говорит Ху.
Но это отчасти оказалось благом в disguise: благодаря связям Ху в MIT, SolidEnergy смогла использовать тогда простаивающие мощности A123 в Уолтеме, включая сухие и чистые помещения, а также производственное оборудование, для создания прототипов. Когда A123 была приобретена Wanxiang Group в 2013 году, SolidEnergy подписала соглашение о сотрудничестве, чтобы продолжить использовать ресурсы A123.
В A123 компания SolidEnergy была вынуждена создавать прототипы, используя существующее оборудование для производства литий-ионных аккумуляторов, что в конечном итоге привело стартап к разработке новых, но коммерчески целесообразных батарей. Как говорит Ху, компании, занимающиеся разработкой новых материалов, часто создают новые производственные процессы на основе новых материалов, которые непрактичны и иногда не масштабируемы. «Но мы были вынуждены использовать материалы, которые можно внедрить в существующую производственную линию», — говорит он. «Начав с этого практического опыта производства и создав реальные батареи, мы смогли понять, какие материалы работают в этих процессах, а затем, двигаясь в обратном направлении, разработать новые материалы».
После трех лет совместного использования помещений A123 в Уолтеме, компания SolidEnergy в этом месяце перенесла свою штаб-квартиру в совершенно новый, современный экспериментальный комплекс в Вобурне, который в 10 раз больше по площади и, по словам Ху, «может вместить крылья Boeing 747», с целью наращивания производства к запуску в ноябре.
Оригинальная статья написана Робом Мэтисоном из пресс-службы Массачусетского технологического института 16 августа 2016 года.