Производство литий-ионных аккумуляторов традиционно использует токсичные растворители и энергоёмкие процессы сушки. Сухая технология электродов (dry electrode) решает многие из этих проблем: она позволяет наносить активные материалы без растворителей, сокращает затраты и делает производство экологичнее. Однако до сих пор большинство сухих процессов опирались на политетрафторэтилен (ПТФЭ) — фторполимер, который при перемешивании образует волокна и скрепляет частицы. ПТФЭ эффективен, но имеет экологические недостатки и может ограничивать характеристики толстых электродов.
Команда южнокорейских исследователей под руководством Джихи Юн (Jihee Yoon) из Корейского института материаловедения (KIMS) в сотрудничестве с группой Инсона Хвана (Insung Hwang) из Корейского института электромеханических исследований (KERI) совершила прорыв. Они создали первую в Корее технологию сухого анода на основе гранул графита контролируемой формы — без использования ПТФЭ вообще.
Как работает новая технология
Вместо ПТФЭ учёные применили связующую систему КМЦ-СБР (карбоксиметилцеллюлоза + стирол-бутадиеновый каучук) — ту же, что давно и успешно используется в обычных «мокрых» процессах с суспензией. Ключевой инновацией стала перестройка структуры графита.
Обычные чешуйчатые частицы графита через процесс распылительной сушки (spray-drying) собирают в сферические гранулы-композиты. Внутри этих гранул чешуйки графита ориентируются случайным образом, образуя изотропную (однородную во всех направлениях) структуру. В отличие от традиционной обработки, где частицы часто выстраиваются параллельно, здесь создаётся множество путей для ионов лития — в том числе «сквозных», перпендикулярных плоскости электрода.
Это решает главную проблему толстых сухих анодов: при большой толщине ионы лития с трудом проникают вглубь, что ухудшает быстродействие и стабильность. Новая морфология гранул обеспечивает более равномерную диффузию лития, снижает механические напряжения при циклировании и позволяет делать электроды толще без потери производительности.
Почему это важно для электромобилей
Более толстые аноды напрямую увеличивают энергоёмкость батареи — а значит, запас хода электромобиля растёт. Улучшенная ионная проводимость ускоряет зарядку, особенно при высоких токах. При этом процесс остаётся полностью сухим: никаких токсичных растворителей, меньше энергии на сушку, ниже себестоимость и экологический след производства.
По словам Джихи Юн, «эта технология предлагает новый подход, способный преодолеть ограничения традиционных сухих процессов на основе ПТФЭ. Мы ожидаем, что она найдёт широкое применение в аккумуляторах следующего поколения для электромобилей, где одновременно требуются высокая плотность энергии и быстрый заряд».
Разработка уже показала превосходство над обычными анодами, полученными методом суспензии: лучшие характеристики быстрой зарядки, повышенную стабильность при длительном циклировании и отличные показатели диффузии лития даже в толстых электродах высокой плотности энергии.
Работа опубликована в журнале Energy Storage Materials. Пока это лабораторный успех, но технология использует уже проверенные в промышленности связующие материалы и относительно простой процесс распылительной сушки. Это значительно упрощает путь к масштабированию. В будущем такие сухие электроды без ПТФЭ могут стать стандартом для «зелёного» и высокопроизводительного производства аккумуляторов — как для легковых электромобилей, так и для более энергоёмких применений.
