Прояснен механизм быстрой зарядки литиевых батарей

10 сентября 2015 г., 11:45

Литий-ионные батареи с катодом из фосфата железа лития (LiFePO₄ или, сокращенно, LFP) в последние годы приобрели особую популярность. Быстрота зарядки и, особенно, большой срок эксплуатации, делают их оптимальным выбором для хранения энергии, в частности, в электромобилях.

В новом исследовании, ученые из швейцарского Института Поля Шерера (PSI), ETH Zurich и Toyota Central R&D Labs постарались разобраться в физических механизмах, обеспечивающих быструю зарядку LFP.

В процессе подзарядки заряженные атомы (ионы) лития под действием электрического тока переходят через электролит с положительного на отрицательный электрод, обычно изготовляемый из графита.

В LFP-батареях литий изначально представлен в виде почти сферических частиц, находящихся на катоде. При низких напряжениях зарядки ионы лития сначала извлекаются из внешнего слоя этих частиц. В результате, частица разделяется на две части — с богатым и с бедным содержанием лития и с резким, ступенчатым изменением его концентрации на границе раздела. Дальнейшая зарядка замедляется так как ионам в тонком пограничном слое требуется дополнительная энергия, чтобы преодолеть «ступеньку» градиента концентрации лития.

Оказалось, что при более высоком напряжении зарядки такого замедления не происходит. Причина этого заключается в размывании ступеньки градиента и образовании пологой кривой роста концентрации лития, атомы которого теперь можно приводить в движение гораздо проще, не прилагая дополнительной энергии для преодоления пограничного слоя.

Используя данные рентгеноструктурных измерений, проделанных на оборудовании Swiss Light Source (SLS), ученые смогли продемонстрировать, что при быстрой зарядке литий больше не концентрируется во внутреннем слое, но более равномерно распределяется по всему объему частицы.

Петр Новак (Petr Novak), глава отдела Электрохимического хранения энергии в PSI, суммировал значение проделанной работы следующим образом: «Используя новую методику измерений мы подтвердили одни и опровергли другие теории, выдвигавшиеся в попытках объяснить быструю зарядку батарей LFP».