Быстрая зарядка не вредит батареям

Детальное исследование процессов, протекающих в литий-ионных батареях, показало, что их быстрая зарядка и разрядка не столь разрушительны для электродов, как было принято считать.

Важнейшая причина износа и разрушения аккумуляторов заключается в распухании и сжатии электродов при поглощении ионов из электролита и их высвобождении во время зарядки и разрядки.

В этой работе ученые наблюдали за положительным электродом, состоящим из миллиардов наночастиц фосфата лития/железа.

Если в процессы зарядки и разрядки вовлечено большинство этих частиц, они поглощают и выпускают ионы более однородно и спокойно. Если же этим занята малая их доля, то возрастает риск растрескивания и разрушения с ухудшением работы батареи.

Предшествующие исследования давали противоречивые картины поведения наночастиц. В новой работе, специалисты в области материаловедения из Стэнфорда заряжали небольшие плоские батарейки, используя для этого разные уровни тока, и варьируя время зарядки. Затем они быстро разбирали аккумуляторы, споласкивали для остановки электрохимических реакций, разрезали на тонкие образцы и отсылали в Берклиевскую лабораторию для анализа с применением интенсивного рентгеновского синхротронного излучения.

Изучение полученных данных на основании модели, разработанной в Массачусетском технологическом институте, показало, что лишь малая доля наночастиц была задействована в поглощении и высвобождении ионов, даже если перезарядка происходила очень быстро. Но, после того, как скорость разрядки превосходила некоторую величину к одновременному поглощению ионов начинало подключаться все больше частиц — батарея переходила на более однородный и щадящий режим функционирования. Таким образом, полагают ученые, модифицируя материал электрода или процесс можно добиться увеличения скоростей зарядки и разрядки без сокращения сроков эксплуатации аккумуляторов.

«Подробности того, что происходит в электроде во время зарядки и разрядки, это лишь один из многих факторов, которые определяют время жизни батареи, но именно он до этой работы не был должным образом понят, — заявил Уильям Чуэ (William Chueh), старший автор статьи в Nature Materials. — Нами найден новый подход к изучению деградации батарей».

Полученные результаты, по его словам, применимы ко многим оксидным и графитовым электродам, используемым в коммерческих литий-ионных батареях сегодня, и примерно к половине тех, что находятся на стадии разработки.

В дальнейшем, авторы намереваются применить свою методику для исследования электродов, подвергшихся многоцикловой перезарядке. Они также надеются научиться получать моментальные снимки процессов без их остановки и разборки батарей.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365