Дослідники з Корейського інституту матеріалознавства (KIMS) спільно з фахівцями Корейського інституту електротехнічних досліджень (KERI) представили нову технологію виготовлення сухих анодів для літій-іонних акумуляторів. Вона може стати важливим кроком до появи батарей для електромобілів із більшим запасом ходу, швидшим заряджанням і нижчою собівартістю виробництва.

Суха технологія виготовлення електродів давно вважається одним із найперспективніших напрямків розвитку акумуляторної галузі. На відміну від традиційного процесу, вона не потребує органічних розчинників і тривалого сушіння електродів у високотемпературних печах. Це дозволяє скоротити енергоспоживання, зменшити виробничі витрати, знизити викиди вуглецю та зробити виробничі лінії компактнішими.

Втім, широкому впровадженню такої технології досі заважала залежність від політетрафторетилену (PTFE) — полімеру, більш відомого під торговою назвою тефлон. Він виконує роль сполучної речовини у сухих електродах, але водночас належить до групи фторованих сполук PFAS, які дедалі частіше опиняються в центрі уваги через екологічні ризики. Крім того, використання PTFE в анодах може негативно впливати на їхню довговічність і характеристики.

Корейським науковцям вдалося обійти це обмеження. Вони використали систему сполучних матеріалів CMC-SBR, яка вже багато років застосовується у промисловому виробництві традиційних літій-іонних акумуляторів. Однак головною новацією стала не лише заміна сполучної речовини, а й повністю новий підхід до структури графіту.

Замість звичних пластинчастих частинок дослідники сформували округлі графітові гранули із контрольованою формою. Для цього вони використали технологію розпилювального сушіння суміші графіту, провідних добавок і сполучних компонентів. Усередині таких гранул графітові частинки розташовані хаотично, утворюючи численні шляхи для руху літієвих іонів у різних напрямках.

Саме ця особливість допомогла усунути одну з головних проблем товстих електродів. У традиційній конструкції літієві іони змушені рухатися довшими маршрутами вздовж графітових пластинок, що погіршує швидкість заряджання. Нова просторова структура значно полегшує їхню дифузію через усю товщину електрода. Завдяки цьому можна створювати товстіші аноди з більшою ємністю без істотної втрати швидкості заряджання або ресурсу.

Під час випробувань нові сухі аноди продемонстрували кращі показники швидкого заряджання та вищу циклічну стабільність порівняно зі звичайними анодами, виготовленими традиційним методом із використанням суспензії. Крім того, технологія покращила дифузію літієвих іонів у високощільних електродах, що відкриває можливість створення акумуляторів із більшою питомою енергоємністю.

Дослідники зазначають, що нова технологія може знайти застосування не лише в електромобілях, а й у системах накопичення енергії. Додатковою перевагою є те, що система CMC-SBR вже використовується у серійному виробництві літій-іонних батарей, тому впровадження нової технології у промислових масштабах має бути значно простішим, ніж альтернативних рішень.

«Ця технологія пропонує новий підхід, який дозволяє подолати обмеження традиційного виробництва сухих електродів на основі PTFE. Ми очікуємо, що вона знайде широке застосування у батареях нового покоління для електромобілів, де одночасно потрібні висока енергетична щільність і швидке заряджання», — зазначила старша дослідниця KIMS Джихі Юн.

Результати дослідження опубліковані у науковому журналі Energy Storage Materials.