Стэнфорд: Мы снизили вес токоприемников в литий-ионных элементах на 80 процентов. Плотность энергии увеличивается на 16-26 процентов.

Ученые из Стэнфордского университета и Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) решили уменьшить литий-ионные элементы, чтобы уменьшить их вес и, таким образом, увеличить плотность хранимой энергии. Для этого они переработали несущие слои наружу: вместо широких листов меди или алюминия использовали узкие полосы металла, дополненные слоем полимера.

Более высокая плотность энергии в Li-ion без больших инвестиционных затрат

Каждая литий-ионная ячейка представляет собой рулон, состоящий из слоя заряда-разряда / разряда, электрода, электролита, электрода и токосъемника в указанном порядке. Внешние части – это металлическая фольга из меди или алюминия. Они позволяют электронам выходить из клетки и возвращаться в нее.

Ученые из Стэнфорда и SLAC решили сосредоточиться на коллекторах, ведь их вес часто составляет несколько десятков процентов от веса всего звена. Вместо медных листов они использовали полимерные пленки с узкими полосками меди. Оказалось, что удалось снизить вес коллекторов до 80 процентов:

Классический цилиндрический литий-ионный элемент представляет собой длинный рулон, состоящий из нескольких слоев. Ученые из Стэнфорда и SLAC уменьшили слои, которые собирают заряды и проводят их – токоприемники. Вместо медных листов они использовали полимерно-медные листы, обогащенные негорючими химикатами (c) Юшэн Е / Стэнфордский университет

Это еще не все: в полимер можно добавлять химические соединения, препятствующие воспламенению, и тогда меньшая воспламеняемость элементов сопровождается меньшим весом:

Воспламеняемость медной фольги, используемой в классическом литий-ионном элементе, и коллекторе, разработанном американскими исследователями (c) Юшэн Е / Стэнфордский университет

Исследователи говорят, что переработанные коллекторы могут увеличить гравиметрическую плотность энергии ячеек на 16-26 процентов (= на 16-26 процентов больше энергии для той же единицы массы). Это означает, что аккумулятор того же объема и энергоемкости может быть на 20 процентов легче нынешних.

В прошлом предпринимались попытки оптимизации коллектора, но их изменение приводило к неожиданным побочным эффектам. Ячейки стали нестабильными или потребовался более [дорогой] электролит. Вариант, разработанный учеными из Стэнфорда, по-видимому, не вызывает таких проблем.

Эти улучшения находятся на стадии ранних исследований, поэтому не ожидайте, что они появятся на рынке раньше 2023 года. Однако они выглядят многообещающими.

Стоит добавить, что у Теслы тоже есть интересная идея собирать заряд металлических слоев. Вместо того, чтобы использовать тонкие медные полоски по всей длине рулона и выводить их только в одном месте (в середине), он сразу выводит их наружу, используя обрезанный край внахлест. Это заставляет заряды перемещаться на гораздо меньшее расстояние (сопротивление!), А медь обеспечивает дополнительную передачу тепла наружу: