Исследовательская группа под руководством доктора Джи-Хуна Ли из отдела материалов для водородной энергетики Корейского института материаловедения (KIMS) разработала трехмерный пористый токосъемный материал на основе углерода и применила его для вторичных аккумуляторов и суперконденсаторов, чтобы одновременно повысить плотность энергии и срок службы. Исследование, проведенное совместно с проф. Инсук Чой из Сеульского национального университета и профессор. Чжунхо Шин из Национального университета Каннын-Вонджу был опубликован в качестве сопроводительной статьи 18 мая в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Токосъемник является важнейшей частью изготовления тонкопленочной электродной пластины. Однако, поскольку токосъемник занимает значительную часть веса и размера электрода, он ограничен в повышении плотности энергии и уменьшении веса и объема устройства накопления энергии.
Эта характеристика особенно заметна в областях, где применяются электрохимические накопители энергии среднего и крупного размера, такие как электромобили, и даже при многократной зарядке и разрядке. Кроме того, причиной сокращения срока службы батареи является расслоение активного материала или коррозия существующего металлического токосъемника из-за попадания влаги и воздуха в батарею.
Исследователи изготовили токосъемник на основе углерода с трехмерной пористой углеродной структурой, которая стабильна в различных средах, используя метод химического осаждения из паровой фазы с плавающим катализатором (FC-CVD). Затем им удалось изготовить электроды, применив процесс нанесения покрытия из активного материала, традиционно используемый в производстве вторичных аккумуляторов для облегчения процесса массового производства. Благодаря такому подходу исследовательская группа преодолела существующие ограничения, связанные с модификацией материалов токосъемников в соответствии с конкретными условиями эксплуатации, такими как электролит и рабочее напряжение.
Токосъемник, разработанный исследовательской группой, повышает стабильность срока службы и первоначальную сохраняемость емкости. Фото: Корейский институт материаловедения (KIMS)
Кроме того, исследовательской группе удалось улучшить плотность энергии /мощности и повысить стабильность циклирования благодаря широким порам токоприемников, благодаря чему пористая структура облегчает транспортировку ионов лития. Обычная металлическая фольга имеет ограниченную площадь межфазного контакта с активным материалом, поскольку она имеет двумерную структуру. Однако недавно разработанный трехмерный токосъемник на основе углерода максимально увеличил площадь межфазной поверхности и сыграл ключевую роль в продлении срока службы устройства.
Доктор Джи-Хун Ли, старший научный сотрудник, сказал: «По мере решения фундаментальных проблем, связанных с материалом, коммерциализация токосъемника на основе углерода будет облегчена, а использование токосъемника увеличится настолько, что станет возможным использовать устройства накопления энергии любого масштаба. Это исследование по-новому определило роль токосъемника, которая ранее была ограничена второстепенным компонентом для формирования электрода. Посредством последующих исследований мы будем стремиться привести к разработке технологии преобразования энергии, которая была бы экологически чистой и высокоэкономичной».
