Фторид-іонний акумулятор - потенційний претендент на наступне покоління акумуляторів

Розвиток фторидно-іонний акумулятор привертає все більше уваги як потенційний претендент на батареї наступного покоління. Такі установи, як Toyota і Honda в Японії, Науково-дослідний інститут Гельмгольца-Ульма в Німеччині, Лабораторія реактивного руху NASA і деякі університети в Китаї, розпочали відповідні дослідження.

Дослідження та розробка фторид-іонних акумуляторів все ще перебуває на надзвичайно ранній стадії, і багато проблем ще потрібно вирішити, щоб увійти в застосування. Однак фторид-іонний акумулятор має великий потенціал і може замінити літій-іонну батарею як основну батарею в майбутньому, особливо твердотільний фторид-іонний акумулятор кімнатної температури, який може замінити літій-іонну батарею в Промисловість літієвих батарей коли технологія стане зрілою.

Чотири переваги фторид-іонних акумуляторів

Серед багатьох напрямків акумуляторів наступного покоління, фторид-іонні акумулятори привертають велику увагу завдяки низці проривів у дослідженнях останніх років. Принцип його роботи схожий на принцип роботи літій-іонного акумулятора, який широко використовується в наш час, тобто іон фтору використовується для зберігання енергії шляхом переміщення між позитивним і негативним електродами. Експерти вважають, що фторид-іонний акумулятор має значні переваги над літій-іонним акумулятором у чотирьох аспектах: щільність енергії, безпека, постачання сировини та вартість.

Досягнення вищої щільності енергії є важливою метою в дослідженнях і розробці акумуляторних батарей, оскільки це означає більшу ємність зберігання енергії. Інформація показує, що теоретична щільність енергії повністю твердотільного фторид-іонного акумулятора може наближатися до 5 000 ват-годин на літр, що у вісім разів перевищує теоретичну межу для літій-іонного акумулятора.

Професор Університету науки і техніки Китаю представив, що фторид-іонна батарея використовує фторид міді, фторид кальцію та інші сполуки в якості електродних матеріалів, а її питома маса електродного активного матеріалу може забезпечити в кілька разів більше заряду, ніж літій-іонна батарея, тому щільність енергії набагато більша, ніж у літій-іонної батареї.

З точки зору безпеки, ріст літієвих дендритів є однією з основних причин, що впливають на безпеку літій-іонних акумуляторів, тоді як іони фтору надзвичайно важко окислюються у фторовмісні мономери, що дозволяє уникнути подібних проблем, як ріст літієвих дендритів. Що стосується сировини, то вміст фтору в земній корі набагато вищий, ніж літію, а поточний світовий річний видобуток фтору приблизно на два порядки вищий, ніж літію. Крім того, видобуток літію вимагає великої кількості води, порівняно з набагато меншим впливом на навколишнє середовище видобутку фтору.

З точки зору вартості, інформація показує, що сировина кобальту, яка зазвичай використовується в літієвих батареях, є дорогою, в той час як фторид-іонна батарея на додаток до срібла, інших анодних і катодні матеріали коштують дешевше, теоретично вартість ват-години фторид-іонного акумулятора становить лише 20% проти 25% у літій-іонного акумулятора.

Три шляхи розвитку фторид-іонних акумуляторів

Ще в 1970-х роках вчені почали вивчати фторид-іонні акумулятори, але суттєвого прогресу не було. 2011 року німецькі вчені взяли на себе ініціативу в розробці повністю твердого фторид-іонного акумулятора з використанням фториду барію-лантану в якості електроліту, після чого дослідження і розробка фторид-іонних акумуляторів тільки привернули до себе більше уваги.

В даний час основні технічні шляхи розвитку фторид-іонних акумуляторів включають рідкі фторид-іонні акумулятори кімнатної температури, високотемпературні твердотільні фторид-іонні акумулятори та твердотільні фторид-іонні акумулятори кімнатної температури. Зокрема, рідкий фторид-іонний акумулятор кімнатної температури використовує в якості електроліту легкозаймистий і фторовмісний органічний розчин, що становить небезпеку для безпеки і навколишнього середовища; в той час як високотемпературний суцільнолитий фторид-іонний акумулятор повинен працювати при високій температурі і може застосовуватися тільки для зберігання енергії або в інших специфічних сценаріях.

Твердотільні фторид-іонні акумулятори кімнатної температури вважаються найціннішим маршрутом серед трьох технологічних маршрутів. Теоретично, твердотільні фторид-іонні акумулятори кімнатної температури можна використовувати у всіх сценаріях застосування сучасних літій-іонних акумуляторів, і, ймовірно, вони повністю замінять літій-іонні акумулятори, коли технологія стане зрілою.

У грудні 2018 року Японський науково-дослідний інститут Honda, Лабораторія реактивного руху NASA, Каліфорнійський технологічний інститут та інші установи спільно опублікували статтю в американському журналі Science, в якій йдеться про те, що команда вперше підготувала фторид-іонний акумулятор з рідким електролітом, який можна реверсивно заряджати і розряджати при кімнатній температурі. фторид-іонний акумулятор при кімнатній температурі.

У 2020 році Кіотський університет і Toyota оголосили про успіх прототипу твердотільного фторид-іонного акумулятора, а японські ЗМІ тоді повідомили, що фторид-іонний акумулятор може забезпечити більший запас ходу, ніж літій-іонний, при тих самих розмірах і вазі, і що запас ходу електромобіля на одному заряді в майбутньому може скласти 1 000 кілометрів.

Група професора Ма Чена в Університеті науки і техніки Китаю займається дослідженням повністю твердотільних фторид-іонних акумуляторів кімнатної температури. У листопаді 2021 року група опублікувала статтю в німецькому журналі "Smole", в якій повідомила про розробку та синтез нового фторид-іонного твердотільного електроліту, який вперше на міжнародній арені забезпечує стабільний тривалий цикл роботи повністю твердотільного фторид-іонного акумулятора при кімнатній температурі. при 25 градусах Цельсія Після 4581 години безперервного заряджання та розряджання при 25 градусах Цельсія не відбулося значної деградації ємності акумулятора. Раніше в літературі повідомлялося, що кількість циклів заряду/розряду повністю твердотільного фторид-іонного акумулятора при кімнатній температурі не перевищувала 20, що взагалі вважалося недосяжним технічним шляхом.

Перспективи та виклики розвитку фтор-іонних акумуляторів

Для того, щоб електромобілі проїжджали більше 1000 км на одному заряді, літій-іонні батареї також є можливими, але якщо ви хочете, щоб великі вантажівки, кораблі, літаки та інші потужні транспортні засоби досягали задовільного запасу ходу завдяки батареям, вам потрібно знайти технологію зберігання енергії з набагато вищою щільністю енергії, ніж літій-іонні батареї, і фторид-іонні батареї є перспективним напрямком для такого роду технологій.

Розробка фторид-іонних акумуляторів все ще перебуває на надзвичайно ранній стадії. Дослідники все ще шукають відповідні матеріальні системи, і системи з практичною і комерційною цінністю ще не з'явилися. Фторид-іонні акумулятори все ще стикаються з багатьма проблемами на етапі фундаментальних досліджень, зокрема дослідники ще не знайшли катодні і анодні матеріали з достатньо відмінними характеристиками циклу, а також електроліти з комерційною цінністю і відмінними експлуатаційними характеристиками.

Для того, щоб технологія фторид-іонних акумуляторів показала свою прикладну цінність якомога швидше, все ще необхідно збільшити інвестиції в фундаментальні дослідження і вирішити низку проблем, пов'язаних з фундаментальними дослідженнями, таких як матеріали електродів і електролітів.