Новое исследование показало, что быстрая зарядка литий-ионной батареи, а затем ее очень быстрая разрядка могут быть не такими разрушительными как считалось ранее.
И теперь выглядит так, что плюсы медленной зарядки и разрядки были переоценены. Исследование было проведено учеными из Стэнфордского Университета и Института Материаловедения И Энергетики Стэнфорда (Stanford Institute for Materials & Energy Sciences — SIMES) в Отделении Энергетики Национальной Лаборатории Ускорителей (DOE at SLAC National Accelerator Laboratory, которая занимается разработкой ускорителей элементарных частиц) при содействии коллег из Сандийской Национальной Лаборатории (Sandia National Laboratories), Американского отделения Технологического Института Samsung (Samsung Advanced Institute of Technology America) и Национальной Лаборатории Лоуренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory).
Результаты опровергают превалирующее мнение что сверхбыстрая зарядка батарей негативно отражается на состоянии электродов в сравнении с зарядкой с меньшей скоростью. К тому же, вероятно, ученным удастся модифицировать электроды или метод зарядки батарей для обеспечения более равномерного процесса разрядки и зарядки батарей и продлению срока их службы.
«Процессы, происходящие на электродах в процессе зарядки и разрядки являются одними из многих факторов, определяющих срок службы батареи, однако до данного исследования эти процессы не были досконально изучены. Мы перешли на новый уровень понимания деградации свойств батареи», — говорит ведущий автор исследования Вильям Чу (William Chueh) из SIMES.
По его словам, результаты исследований могут быть применены непосредственно для модификации в настоящее время устанавливаемых в литий-ионные аккумуляторы оксидных и графитовых электродов. И, по крайней мере, половины тех, что находятся сейчас в разработке.
Очень важным источником износа батарей служат набухание и усадка негативного и позитивного электродов по мере того, как они адсорбируют и высвобождают ионы электролита во время зарядки и разрядки.
Во время исследований ученные проводили наблюдения за литий-железо-фосфатным катодом. Если большинство или все наночастицы материала активно участвуют в процессе зарадки и разрядки, то они абсорбируют и высвобождают ионы более мягко и равномерно. Однако, если только небольшой процент частиц материала участвует в процессах, они имеют тенденцию к быстрому распаду и разрушению, снижая производительность батареи.
Предыдущие исследования вызвали противоречащие взгляды на то, как ведут себя наночастицы материала катода. Для того чтобы копнуть глубже, ученые создали небольшие, размером с монету, батареи, зарядили их используя разные сочетания напряжения и длительности процесса зарядки, после чего быстро разобрали и промыли компоненты для остановки процессов зарядки/разрядки. Затем они разрезали электроды на чрезвычайно тонкие слои и в лаборатории Беркли подвергли их интенсивному рентгеновскому излучению на синхротроне Advanced Light Source, расположенном в центре прикладных исследований одного из отделений DOE.
Снимок сделан рентгеновским микроскопом и на нем отображены наночастицы в середине процесса зарядки. Цвет частиц соответствует уровню заряда: полностью заряженные – зеленые, в процессе зарядки – желтые, полностью разряженные – красные. Длина шкалы масштаба – 500 нм. Фото сделано в SLAC National Accelerator Laboratory.
«Нам удалось увидеть тысячи наночастиц электрода одновременно и сделать их снимки на разных стадиях процессов зарядки и разрядки. Данное исследование является первой последовательной работой, проведенной с использование совершенно разных стадий процессов зарядки и разрядки», — говорит один из ведущих исследователей Йиянг Ли (Yiyang Li).
Анализируя данные с использованием модели, разработанной в Массачуссетском Технологическом Институте, исследователи обнаружили, что лишь малая часть наночастиц поглощает и высвобождает ионы в процессе разрядки, даже когда это делает с большой скоростью. Однако, если скорость зарядки превышает некую определенную величину, все больше и больше частиц становятся задействоваными в процессе, переходя в более равномерный и менее разрушительный режим. Это предполагает, что ученым удастся улучшить материал электродов или процесс для достижения больших скоростей зарядки и разрядки, при этом сохранив длительность срока службы батарей.
Конечно, пока что это лабораторные результаты и только от одного типа батарей, тем не менее они очень обнадеживают и показывают, что не все так плохо как казалось.
На данный момент похоже, что смена аккумуляторов так и не станет мейнстримом для владельцев электромобилей, не смотря на то, что Tesla предусмотрела такую опцию на своих авто. А вот быстрая зарядка может стать очень важным элементом для дальних поездок. В большинстве случаев, электромобили будут заряжаться ночью и не потребуют дополнительной подзарядки, но в тех случаях когда вам необходимо проехать дальше, чем позволяет емкость автомобильного аккумулятора, иметь батареи, которые могут принять много мощности в течение короткого промежутка времени и без какого либо ущерба, может стать очень важным.
Следующим шагом исследования, по словам Ли, будет пропускание электродов через тысячи циклов зарядки и разрядки подряд для имитации повседневного применения. Ученные так же надеются получить снимки батареи непосредственно в процессе, не останавливая его и не разбирая аккумулятор на части.
Новое исследование показало, что быстрая зарядка литий-ионной батареи, а затем ее очень быстрая разрядка могут быть не такими разрушительными как считалось ранее.
Загрузка ...
