Почему быстрая зарядка снижает емкость аккумулятора?

Чем быстрее заряжаются аккумуляторы, тем больше страдает емкость. Исследователи из Осло теперь могут наблюдать вживую, почему это так.

Быстрая зарядка батарей, например, на зарядных станциях для электромобилей, оказывает негативное влияние на емкость. Ученый Дэвид Рагг из Университета Осло исследовал это явление более подробно. Используя рентгеновские лучи, он смог "заглянуть внутрь" батареи и лучше понять причины ее возникновения.

Батареи чувствительны к слишком быстрой зарядке

Дэвид Рагг - старший инженер Центра материаловедения и нанотехнологий Университета Осло. "Быстрая зарядка - это что-то вроде Святого Грааля, - объясняет Рагг. "Каждый владелец устройства с литий-ионным аккумулятором хочет иметь такую возможность". Но сложная химия внутри батареи очень чувствительна к быстрой зарядке. Именно поэтому зарядка электромобиля занимает гораздо больше времени, чем заправка двигателя внутреннего сгорания.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Как уже известно исследователям, ионы лития превращаются в металлический литий по мере прохождения через батарею. Во время зарядки и разрядки ионы перемещаются взад и вперед между катодом и анодом, где они частично преобразуются в чистый металлический литий и таким образом становятся неподвижными. В результате они перестают использоваться, и емкость батареи уменьшается.

Чем быстрее заряжается батарея, тем быстрее это происходит. Теперь Рагг и его коллеги использовали рентгеновские лучи для наблюдения за тем, почему это происходит. Они заряжали батареи с разной скоростью и сканировали их каждые 25 миллисекунд. Это дало им множество данных о том, что происходит внутри, вплоть до атомного уровня.

Анод в аккумуляторе сделан из графита, тонких слоев углерода. Ионы лития оседают там во время зарядки. Когда зарядный ток высок, им приходится искать место в аноде быстрее, чем обычно, что, по мнению исследователей, приводит к образованию узких мест. Это связано с тем, что с химической точки зрения существуют определенные пределы того, насколько быстро может происходить этот процесс.

"Пустой графит похож на стопку карт, а ионы лития - на крошечные шарики, которые попадают в промежутки между картами", - объясняет Дэвид Рагг. "Вы проталкиваете ионы все дальше и дальше. Но если ионы, которые уже там находятся, не могут проникнуть глубже в стек, то для новых ионов не остается места. Если вы заряжаете батарею очень быстро, литий не успевает распространиться по графитовому электроду".

Вместо этого заряженные ионы лития превращаются в нейтральные атомы и накапливаются в виде крошечных металлических комочков, объясняет далее ученый. Они, так сказать, застряли, в то время как энергия для зарядки продолжает поступать в то же время. Возможно, именно эта избыточная энергия превращает ион в нейтральный и стабильный атом, считает Рагг.

Для этого уже существует технический термин: литиевое покрытие. Но хотя этот процесс хорошо известен, исследователи из Осло впервые смогли наблюдать его в действующей батарее благодаря рентгеновскому излучению. "Мы могли видеть, как нарастает слой лития. Во время быстрой зарядки мы могли видеть, как он быстро увеличивается в размерах. Наша теория заключается в том, что это как-то связано с обратным захватом ионов лития. Мы видим много ионов лития вблизи сепаратора, и именно там образуется литиевый слой", - сказал Рагг.

Исследование показывает, что для быстрой зарядки необходимы новые решения. В частности, производителям батарей необходимо улучшить транспортировку лития, чтобы у ионов было больше шансов достичь всего графитового анода во время быстрой зарядки. Один из подходов - углеродные нанотрубки, графит, сформированный в трубки. Рагг и его коллеги из Осло, в свою очередь, работают с графеном в аноде. Рагг подчеркивает, что решение будет найдено. Но: "Графит известен уже сотни лет. Графен и углеродные нанотрубки известны уже около 30 лет. Так что на это нужно время".

Китайский производитель GAC также использует графен и обещает время зарядки 8 минут для своего электрического внедорожника Aion V. Ключевым моментом является "трехмерный графен" в аноде, который состоит из одного слоя. Сверхбыстрая зарядка не должна повлиять на батареи GAC: предполагается, что они прослужат миллион километров. Однако GAC пока не раскрывает, как именно это работает. опубликовано econet.ru по материалам energyload.eu

Лучшие публикации в Telegram-канале Econet.ru. Подписывайтесь!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet