Латексные связующие, литий-ионные аккумуляторы и электромобили

Кристиан Пейдж
13.12.2021 361

Хотя связующие составляют лишь небольшую часть литий-ионных аккумуляторов, на которых работают электромобили, они играют важнейшую роль в обеспечении эффективности и улучшении кинетики работы аккумуляторов.

Рынок электромобилей стремительно развивается, и предположительный совокупный годовой темп его роста составляет около 26%.1 В свою очередь, увеличиваются вложения в литий-ионные аккумуляторы, чтобы соответствовать требованиям этого разрастающегося рынка. С момента их первого появления на коммерческом рынке в 1991 году литий-ионные аккумуляторы стали неотъемлемой частью современных технологий, особенно это касается электромобилей. Десять лет назад литий-ионные аккумуляторы обеспечивали дальность хода электромобиля на расстояние в 100 миль. Сейчас они обеспечивают более 200 миль.

Несмотря на такой прогресс, увеличение емкости в последние три года замедлилось, создавая возможности для совершенствования компонентов литий-ионных аккумуляторов и повышения их эффективности. Компании, специализирующиеся на материалах, ищут способы увеличения емкости литий-ионных аккумуляторов и расширения возможностей зарядки без повышения их веса.

Чтобы перевести литий-ионные аккумуляторы на новый уровень требуются инновационные решения. И одно из них заключается в связующих веществах. Хотя связующие составляют лишь небольшую часть литий-ионных аккумуляторов, они играют важнейшую роль в обеспечении эффективности и улучшении кинетики работы аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы на рынке электромобилей

Рынок литий-ионных аккумуляторов стремительно развивается, годовые темпы роста с 2016 по 2020 год составили 18%. В ближайшие пять лет ожидается увеличение роста до 27%, что связано с высоким спросом на электромобили. Рынок электромобилей набирает обороты по всему миру, в первую очередь, в Китае, США и Германии.

По данным отчета о развитии электрического транспорта от Международного энергетического агентства (Global EV Outlook), в 2020 году в эксплуатации находилось более 10 миллионов электромобилей.2 Отказ от топлива в пользу электрической энергии — это не просто преходящая мода, а долгосрочная тенденция, нашедшая поддержку во всем мире. Производители уже активно строят планы на будущее: компания Jaguar собирается торговать исключительно электромобилями, начиная с 2025 года; Volvo ставит перед собой ту же цель на 2030 год; за ними последуют и другие компании.

Высокоэффективные литий-ионные аккумуляторы — это наиболее распространенный тип аккумуляторов, используемых в электромобилях. Они состоят из четырех основных компонентов: положительного электрода (катода), отрицательного электрода (анода), жидкого электролита, который способствует перемещению ионов между электродами, а также сепаратора, препятствующего прямому контакту электродов друг с другом и предотвращающего короткие замыкания и возгорания. Для работы аккумулятора критически важен поток электронов и ионов лития, который может быть нарушен при взаимодействии с компонентами аккумулятора.

В электромобилях предпочитают использовать именно литий-ионные аккумуляторы из-за большей плотности энергии по сравнению со свинцово-кислотными и никель-металлогидридными аккумуляторами. Элементы литий-ионных аккумуляторов производят 4,2 В, что значительно больше, чем у других аккумуляторов. Это означает, что они могут обеспечивать достаточно электрического тока, когда требуется высокая мощность.

Литий-ионные аккумуляторы также относительно неприхотливы в обслуживании, им не требуется циклические зарядки/разрядки для поддержания эффективности и обеспечения срока службы. Производители стремятся к тому, чтобы срок службы аккумуляторов достиг 10 лет и более. По истечении этих 10 лет аккумулятор должен потерять всего 20-25% своей мощности, а не 100%. Хотя мощности аккумулятора 75-80% не достаточно для электромобиля, литий-ионный аккумулятор можно перепрофилировать для другого применения (как правило, в бытовых системах хранения энергии), что увеличивает его срок службы и безопасность для окружающей среды.

Существенное преимущество литий-ионных аккумуляторов заключается в том, что у них нет эффекта памяти, который возникает, когда аккумуляторы постоянно подзаряжают, если они лишь частично разряжены. Часто возникающий в никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторах эффект памяти приводит к потере используемой мощности аккумулятора и снижению производимого напряжения.

Влияние латексных связующих

Один из компонентов литий-ионных аккумуляторов, которому зачастую не уделяют достаточно внимания, — это связующее на основе бутадиен-стирольного латекса. Составляющие лишь 1% от общего веса литий-ионного аккумулятора латексные связующие поддерживают его функционирование и повышают эффективность. Основная роль латексных связующих заключается в связывании графита и токопроводящего порошка вместе и на медном токосъемнике в литий-ионном аккумуляторе (рисунок 1).

Рисунок 1. В литий-ионных аккумуляторах латексные связующие используются для связывания графита и токопроводящего порошка вместе и на медном токосъемнике.

Помимо высокой адгезии, латексные связующие* обеспечивают выборочное пленкообразование, устойчивость к набуханию электролита, удлинение и гибкость в широком диапазоне температур, тем самым увеличивая срок службы аккумулятора. Латексные связующие также повышают литий-ионную проводимость, снижают импеданс элементов и увеличивают производительность аккумулятора при низкой температуре. Они могут быть на основе растворителя или на водной основе, хотя связующие на водной основе зачастую предпочтительнее, поскольку они наиболее эффективны и экологически безопасны.

При выборе связующего следует учесть множество факторов, поскольку оно должно выполнять сразу несколько задач. В первую очередь, это склеивание и связывание частиц в условиях экстремальных температур.

Связующие также должны быть эластичными, чтобы не растрескиваться в условиях сушки или внутреннего расширения графита при загрузке. Хрупкость может вызвать серьезные проблемы в процессе производства с потерей контакта. В ходе сборки аккумулятора способность связующего к удлинению предотвращает разрывы в процессах резки и прокатки. Во время многочисленных циклов нагружения связующее также должно выдерживать постоянное взаимодействие с электролитом при различных температурах и давлении, которые могут привести к усталостным разрушениям.

Рисунок 2. Связующие повышают проводимость ионов лития на границе раздела между электролитом и пленкой из бутадиен-стирольного латекса и способствуют повышению эффективности аккумулятора при низкой температуре.

Совершенствование технологии

Заглядывая вперед, можно ожидать, что будущие литий-ионные аккумуляторы будут проектироваться с учетом продуктов, различных областей применения, процессов и производственных инноваций, чтобы получать всеобъемлющие решения, основанные на полном понимании взаимодействий всех этих факторов. Правильный выбор латексного связующего — это ключ к будущим улучшениям. Созданные для обеспечения баланса между смачиванием и растворением электролита связующие обладают требуемой адгезией и структурой для использования в условиях внутренних температур и нагрузок аккумуляторов, однако их полной эффективности можно добиться только в сочетании с другими компонентами.

Для каждого компонента аккумулятора (катод, анод и сепаратор) в настоящее время используются три разных связующих. Переход на одно общее связующее для всех трех компонентов позволит получить более чистую систему, что благоприятно отразиться на ее эффективности в долгосрочной перспективе. Загрязнения в любом компоненте со временем становятся разрушительны.

Цель состоит в том, чтобы повысить связующую способность и найти баланс, при котором отсутствует неблагоприятное взаимодействие с окружающей средой и обеспечивается хорошая адгезия с подложкой. Использование одного и того же связующего во всех трех компонентах аккумулятора и оптимизация составов связующего поможет минимизировать загрязнения, что, в свою очередь, повысит чистоту аккумулятора, снизит потери мощности и сделает аккумуляторы, представленные на рынке электромобилей, более эффективными и экологически безопасными.

Что касается экономии энергии, исследователи и производители быстро продвигаются в разработке качественных и экономичных решений, которые позволят обеспечить оптимальный размер, вес и общую чистоту аккумуляторов. К тому же, разработки в области литий-ионных аккумуляторов, вероятнее всего, сосредоточатся на решении многочисленных проблем, связанных с ними, например, вопросах перегрева в результате выхода из строя сепаратора и быстрого старения из-за характерных для них химических реакций.

Отрасль производства аккумуляторов также остро нуждается в создании целого направления по переработке. Химические процессы, направленные на возврат лития в мономерное состояние, достаточно сложны. Для восстановления отдельных компонентов аккумулятора и возвращения лития в исходное состояние требуется всесторонний подход. Будущие решения по переработке должны быть направлены на улучшение имеющихся материалов и очистку химических веществ из аккумуляторов и их отдельных компонентов.

Будущие возможности

Литий-ионные аккумуляторы — это самое современное решение для электромобилей, и эксперты сходятся во мнении, что никакие другие решения не смогут сравниться с ними на таком производственном уровне в ближайшие десять лет.3 Литий-ионные аккумуляторы изменили сам рынок электромобилей. Многие компании, занимающиеся электромобилями или материалами, вкладывают средства в технологию литий-ионных аккумуляторов, и для промышленности открываются новые возможности.

Кристиан Пейдж, руководитель по научно-техническим и опытно-конструкторским работам в области материалов с высокими эксплуатационными характеристиками, компания Trinseo

Дополнительная информация представлена на сайте www.trinseo.com.

* Например, связующие VOLTABOND от компании Trinseo

Список использованных источников

  1. А. Ю и М. Суманджил, «Распространение литий-ионных аккумуляторов на ведущих рынках электромобилей», исследование мирового рынка по данным S&P, 6 февраля 2021 г. https://www.spglobal.com/marketintelligence/en/news-insights/blog/top-electric-vehicle-markets-dominate-lithium-ion-battery-capacity-growth.
  2. «Тенденции и разработки на рынке электромобилей», отчет о развитии электрического транспорта от Международного энергетического агентства за 2021 г. https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2021/trends-and-developments-in-electric-vehicle-markets.
  3. А. Рати, «Как добиться прорыва в области аккумуляторов», журнал Quartz, 8 апреля 2019 г. https://qz.com/1588236/how-we-get-to-the-next-big-battery-breakthrough/.

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Экологически безопасная эксплуатация стального моста – роль окраски в оценке жизненного цикла
Экологически безопасная эксплуатация стального моста – роль окраски в оценке жизненного цикла
Значение защитных покрытий в предотвращении разрушения стальных конструкций сложно оценить количественно, однако исследование, проведенное в…
CEPE.
22.01.2020
654
Себестоимость сырья – важная составляющая производства ЛКМ
Себестоимость сырья – важная составляющая производства ЛКМ
В рамках деловой программы международной специализированной выставки лакокрасочных материалов и покрытий, сырья, оборудования и технологий…
03.03.2022
412
Контроль температуры воздуха для улучшения качества отделки
Контроль температуры воздуха для улучшения качества отделки
Долгое время считалось, что температура воздуха оказывает существенное влияние на качество покрытий, наносимых методом распыления,…
Майкл Р. Боннер
16.08.2021
189
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
25-27 октября 2022 года в МВЦ «Крокус Экспо» пройдет ключевая выставка материалов и оборудования для…
15.06.2022
1083
Экологически безопасные жидкие полибутадиены
Экологически безопасные жидкие полибутадиены
Линейкой POLYVEST eCO направление покрытий и клеев на основе смол компания Evonik открывает новый ряд…
07.10.2022
46
Порошковые покрытия и покрытия на водной основе: сравнение с точки зрения экологических факторов
Порошковые покрытия и покрытия на водной основе: сравнение с точки зрения экологических факторов
На первый взгляд, сравнение порошковых покрытий с покрытиями на водной основе похоже на сравнение яблока…
Рич Сэддлер, Industrial Finishing Solutions LLC
22.06.2021
202
Самый большой в мире бизон готовится к покраске
Самый большой в мире бизон готовится к покраске
Представитель Jamestown Tourism в Северной Дакоте недавно сообщил, что 63-летняя главная достопримечательность штата — бетонная…
12.08.2022
161
Регулирование климатических условий для улучшения характеристик жидких и порошковых покрытий
Регулирование климатических условий для улучшения характеристик жидких и порошковых покрытий
Установки кондиционирования воздуха могут обеспечить регулирование климатических условий и осушение воздуха для улучшения результатов отделки.
Марти Пауэлл
12.05.2021
205
Решение проблем с адгезией краски
Решение проблем с адгезией краски
Поставщик сельскохозяйственной техники подбирает подходящие чистящие средства.
Скотт Фрэнсис
22.11.2022
42