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
- 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.
- «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.
- 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/.
