Внутри безанодной литиевой батареи емкостью 500 Втч/кг: структура, материалы и характеристики

По мере того, как растет спрос на более производительные электромобили, дроны и аэрокосмические системы, аккумуляторная индустрия быстро приближается к пределам возможностей традиционной литий-ионной технологии. Чтобы преодолеть это узкое место, исследователи и производители обращаются к литий-металлическим батареям (LMB), а точнее, к радикальному варианту, известному как безанодная литий-металлическая батарея.

В этой статье мы приводим полный разбор и анализ производительности прототипа безанодной литиевой батареи емкостью 508 Втч/кг, раскрывая, как эта минималистичная, но мощная конструкция обеспечивает рекордную плотность энергии.

Что такое безанодная литий-металлическая батарея?

В отличие от традиционных литий-ионных батарей, в которых в качестве анода используются материалы на основе графита или кремния, в безанодных батареях активный анод полностью отсутствует. Вместо этого литий наносится на голый медный токосъемник во время первого цикла зарядки.

Ключевые преимущества :

• Более высокая плотность энергии за счет отсутствия громоздких анодных материалов.

• Более низкая себестоимость производства (без изготовления анодов или предварительной литиирования)

• Упрощенная структура ячеек , повышение объемной эффективности

Характеристика	Традиционная	литий-металлическая батарея LIB	Безанодная LMB
Материал анода	Графит/Кремний	Литий-металлическая фольга	Нет (только медная фольга)
Исходный источник лития	только катод	Предварительно литированный анод	только катод
Плотность энергии (Втч/кг)	250–300	350–400	До 500+

Обзор прототипа: краткий обзор элемента мощностью 500 Втч/кг

Исследуемая батарея представляет собой элемент мягкого чехла со следующими характеристиками:

Параметр	Значение
Номинальное напряжение	3,8 В
Емкость	8,3 Ач
Энергия	31,54 Втч
Вес ячейки	62г
Плотность энергии	508 Втч/кг
Ограничение заряда	4,4 В
Отсечка разряда	3,0 В

Ячейка имеет многослойную структуру, вертикальную сварку и компактную зону уплотнения для увеличения активного объема и минимизации веса.

Проектирование электродов и компонентов

Катод: высоконикелевый NCM.

• Удельная емкость : 222 мАч/г

• Соотношение активного материала : 96,98%

• Односторонняя поверхностная нагрузка : 23,59 мг/см⊃2;

• Плотность прессования : 3,45 г/см⊃3;

• Толщина покрытия (без фольги) : ~68,4 мкм.

• Толщина фольги : 12 мкм (Ал)

• Размер электрода : 44 мм × 114 мм.

• Количество слоев : 17

• Емкость площади : 5,08 мАч/см⊃2;

Анод: только медная фольга

• Материал : Чистая медь

• Толщина : 6 мкм

• Размер электрода : 47 мм × 117 мм.

• Количество слоев : 18

• Емкость площади : 0 (без активного материала)

Сепаратор

• Длина : 1870 мм

• Ширина : 122 мм

• Плотность поверхности : 12,3 г/м⊃2;

• Расчетный вес : ~ 2,8 г

Анализ производительности

Несмотря на минималистичный дизайн, прототип ячейки демонстрирует превосходные электрохимические характеристики в любых температурных и скоростных условиях.

Тип испытания	Условие	Производительность
Удержание цикла	Разряд 1С, 10 циклов	Сохранение емкости ≥95%
Температурный диапазон	Разгрузка при температуре от 25°C до 55°C	Разгрузочная способность ≥95%
Высокотемпературная скорость C	Тестирование уровня C при 40°C и 55°C	Сохранение емкости ≥95%

Это указывает на твердую стабильность при умеренных и высоких температурах с хорошей обратимостью литиевого покрытия/снятия.

Факторы проектирования, определяющие показатель 508 Втч/кг

Для достижения более 500 Втч/кг требуется тщательная оптимизация каждого компонента:

• Безанодная архитектура исключает объем графита/кремния/фольги

• Высоконагруженный катод NCM (23,59 мг/см⊃2;) с высоким активным коэффициентом

• Сепаратор малой массы и минимальное количество электролита (~0,6 г/Ач)

• Тонкая медная и алюминиевая фольга уменьшают неактивную массу.

• Компактная конструкция пакета обеспечивает высокую объемную эффективность.

Эта синергия поднимает как гравиметрическую, так и объемную плотность энергии на новые высоты.

Проблемы, которые необходимо решить

Несмотря на многообещающие свойства, безанодные литиевые батареи сталкиваются с рядом серьезных проблем:

Проблема	Описание
Цикл жизни	Ограничено из-за потерь лития и нестабильности интерфейса.
Образование дендритов	Риск короткого замыкания во время литиевого покрытия
Чувствительность к влаге	Катоды с высоким содержанием никеля и металлический литий реакционноспособны.
Производственный контроль	Требует точного управления электролитом и проектирования поверхности.

Исследования твердотельных электролитов, литиевых хостов и стабилизации SEI необходимы для коммерческой жизнеспособности.

Приложение Outlook

Благодаря сверхвысокой плотности энергии и упрощенной конструкции безанодные LMB идеально подходят для:

• Электрический самолет с вертикальным взлетом и посадкой (eVTOL)

• Дроны дальнего действия

• Платформы электромобилей следующего поколения (запас хода > 1000 км)

• Аэрокосмическая промышленность и спутники

• Компактная робототехника и носимые устройства

Ожидается, что раннее внедрение произойдет в секторах с небольшими объемами и высокой стоимостью, а затем к более широкому внедрению электромобилей к 2028–2030 годам.

Заключение

Этот разбор безанодной литий-металлической батареи емкостью 508 Втч/кг представляет собой конкретный пример того, как передовая конструкция и оптимизация материалов могут открыть следующий скачок в плотности энергии. Полностью переосмыслив анод, эти элементы демонстрируют потенциал, который обеспечит будущее мобильности, аэрокосмической отрасли и не только.

Ищете аккумуляторные решения нового поколения?

В Misen Power мы специализируемся на разработке индивидуальных аккумуляторов для электромобилей, дронов, аэрокосмической и промышленной техники. От высокоэнергетических элементов NCM до твердотельных исследований и разработок — мы помогаем новаторам воплощать свои идеи в жизнь.

Свяжитесь с нами , чтобы обсудить ваш проект сегодня.