Ученые обнаружили неожиданный способ резкого увеличения производительности батарей

Исследователи из SLAC-Stanford Battery Center зарядили аккумулятор необычно высокими токами и тем самым увеличили средний срок службы батареи на 50%, а также сократили первоначальное время зарядки с 10 ч до 20 мин. Об этом пишет msn.com.

Ученые использовали алгоритмы машинного обучения, чтобы определить конкретные изменения в электродах аккумулятора, которые объясняют увеличение срока службы и производительности. Результаты их исследования имеют практическое значение для производства не только литий-ионных аккумуляторов для электромобилей и электросетей, но и для других технологий.

Чтобы понять, что происходит во время начального цикла заряда аккумулятора, команда создала ячейки-мешки, в которых положительные и отрицательные электроды окружены раствором электролита, где ионы лития свободно перемещаются. Когда аккумулятор заряжается, ионы лития поступают в отрицательный электрод для хранения. Когда он разряжается, ионы возвращаются и перемещаются к положительному электроду; это запускает поток электронов для питания устройств, от электромобилей до электросети.

Положительный электрод недавно изготовленного аккумулятора на 100% заполнен литием. Каждый раз, когда батарея проходит цикл заряда-разряда, часть лития дезактивируется. Минимизация этих потерь продлевает срок службы энергохранилища.

Как ни странно, один из способов минимизировать общую потерю лития — это намеренно потерять большую часть первоначального запаса вещества во время первой зарядки батареи. Эта потеря лития в первом цикле не напрасна, т.к. потерянный литий становится частью мягкого слоя, называемого твердоэлектролитной интерфазой, или SEI, который образуется на поверхности отрицательного электрода во время первой зарядки. В свою очередь, SEI защищает отрицательный электрод от побочных реакций, которые ускоряют потерю лития и со временем приводят к более быстрому разрушению батареи. Правильное получение SEI важно для этапа, называемого зарядом формирования. Формирование — это последний этап в процессе производства, поэтому, если он не удается, все усилия, направленные на то, чтобы повысить эффективность батареи, могут оказаться напрасными.

Производители обычно заряжают новые аккумуляторы с помощью низких токов, полагая, что это создаст самый прочный слой SEI. Но зарядка с помощью низких токов занимает много времени, стоит дорого и не обязательно дает оптимальные результаты. Поэтому, когда недавние исследования показали, что быстрая зарядка с помощью более высоких токов не ухудшает производительность аккумулятора, это стало хорошей новостью.

Зарядный ток — это всего лишь один из десятков факторов, которые участвуют в формировании SEI во время первой зарядки. Тем не менее, только два фактора — температура и ток, при котором заряжается аккумулятор, — оказались важнее всех остальных.

Эксперименты подтвердили, что зарядка при высоких токах оказывает огромное влияние, увеличивая срок службы средней тестовой батареи на 50%. Она также дезактивировала гораздо более высокий процент лития заранее — около 30% по сравнению с 9% при других методах.

Удаление большего количества ионов лития во время процесса формирования освобождает пространство в положительном электроде и позволяет электроду циклироваться более эффективно, улучшая последующую производительность.

Ранее мы писали, что ученые увеличили плотность энергии батарей в 2 раза при помощи тонкой пленки. ORNL разработала тонкий и гибкий твердотельный электролит, который может удвоить возможности хранения энергии для электромобилей, смартфонов, ноутбуков и других устройств.