Платим блогерам
Блоги
amv212
Ученые из Университета Осло в Норвегии разбирались в химических процессах протекающих в автомобильных аккумуляторах при быстрой зарядке

реклама

Когда ионы лития быстро проходят через батарею, они могут задержаться и превратиться в металлический литий, который больше не сможет двигаться через батарею.

Представьте себе, что вы можете заправить свой электромобиль во время остановки, чтобы быстро перекусить, или пополнить заряд телефона во время чистки зубов.

реклама

Подпись к изображению

 

"Быстрая зарядка - это своего рода Святой Грааль. Это то, что хочет иметь каждый владелец устройства на основе литий-ионного аккумулятора", - говорит старший инженер Дэвид Рагг из Центра материаловедения и нанотехнологий Университета Осло.

Внутри батареи, тем не менее, много сложной химии, которая может быть чувствительна к тому, как быстро она заряжается. Все может пойти не так.

"Потеря емкости является наиболее критичной", - говорит Рагг.

"Можно создавать аккумуляторные батареи с очень высокой емкостью, которые могут позволить вам проехать на электромобиле 1000 км, но после того, как вы зарядите и разрядите его несколько раз, вы потеряете примерно половину этой емкости и дальности хода.

Все перезаряжаемые батареи со временем ухудшаются, но этот негативный эффект становится особенно сильным, когда батарея подвергается быстрой зарядке. Рагг - один из исследователей, проводивших исследование, которое показало, что это происходит.

Исследователи смогли увидеть, что ионы лития, которые так важны для емкости батареи, превращаются в чистый металлический литий и больше не являются пригодным материалом. И самое главное: этот эффект значительно усиливается при быстрой зарядке.

Батарея похожа на кресло-качалку

На одной стороне батареи находится анод, а на другой - катод. Оба эти электрода могут накапливать электроны и ионы. Между ними находится специальный защитный материал - сепаратор и жидкий электролит, который помогает ионам переходить с одной стороны на другую.

Ионы и электроны перемещаются с одной стороны батареи на другую, когда вы используете накопленный там ток, и обратно, когда вы ее заряжаете.

" Такой механизм называют механизмом кресла-качалки, когда вы раскачиваете ионы и электроны с одной стороны на другую. "

"Когда аккумуляторы новые и работают идеально, они могут хранить определенное количество ионов, и это общая емкость системы", - говорит Рагг.

Когда ионы, которые раньше двигались туда-сюда, превращаются в металл, они больше не могут перемещаться по батарее. Ионы заряжены и могут двигаться вперед и назад. Атомы металла нейтральны и не могут быть перемещены ни в одну, ни в другую сторону.

"Как только литий превращается в металл, он больше не доступен для электрохимической реакции. Эта емкость полностью теряется", - говорит Рагг.

Это происходит во всех перезаряжаемых литий-ионных батареях, когда вы заряжаете их достаточно много раз. Но почему ситуация ухудшается при быстрой зарядке?

Узкие места во время быстрой зарядки

Во время быстрой зарядки через систему проходит то же количество ионов, но гораздо быстрее. Все ионы должны найти свое место на аноде за гораздо меньшее время.

"Когда вы заряжаете с удвоенной скоростью, вам приходится перемещать то же количество ионов и электронов за вдвое меньшее время, - говорит Рагг.

Если вы заряжаете в четыре или шесть раз быстрее, то, естественно, это будет еще сложнее".

"Это сложно, потому что существуют определенные ограничения на химические процессы, которые происходят, когда вы пытаетесь очень быстро поместить ионы лития в твердый электродный материал", - говорит Рагг.

Аноды, которые получают ионы во время зарядки, сделаны из графита, который состоит из тонких слоев углерода. Анод состоит из нескольких миллионов таких слоев.

" Порошковый графит похож на колоду карт, а ионы лития - на крошечные шарики, которые заталкиваются в промежутки между картами. Проблема в том, что при попытке протолкнуть ионы лития между слоями графита могут возникнуть узкие места.

Вы продолжаете проталкивать ионы внутрь, но пока ионы, которые уже находятся между слоями, не смогут продвинуться глубже в стопку, новым ионам некуда будет проникать". Когда вы заряжаете аккумулятор очень быстро, литий вообще не распространяется по всему графитовому электроду. Он просто застревает рядом с электролитом, где анод и катод разделены".

Именно здесь, в этих узких местах, заряженные ионы превращаются в нейтральные атомы и скапливаются в крошечных гранулах металла. Ионы не движутся дальше, в то время как энергия прикладывается. Этот избыток энергии может быть тем, что превращает ион в нейтральный и стабильный атом.

Это называется "литиевое осаждение". Это когда ионы лития, вместо того чтобы оставаться в ионной форме, превращаются в металлический литий. Об этом известно уже давно, но раньше это не наблюдалось в работающей батарее", - говорит Рагг.

Однако Раггу и его коллегам удалось это сделать. Используя рентгеновские лучи, они сканировали батареи каждые 25 миллисекунд, снова и снова, во время быстрой зарядки с разной скоростью. Это дало им огромное количество данных о происходящем вплоть до атомного уровня.

"Мы действительно могли видеть, как нарастает литиевое покрытие. Во время быстрой зарядки мы могли видеть, как количество лития увеличивается очень быстро. Наша теория заключается в том, что это как-то связано с узким местом для ионов лития. Мы видим много ионов лития вблизи сепаратора, и именно там мы видим литиевое осаждение", - говорит Рагг.

"Наиболее вероятно, что эти ионы лития накапливаются, и они просто не могут больше добраться до графита. Они застревают там, и на них выделяется много тепла, много энергии, и так они восстанавливаются до металлического лития".

Они увидели, что слои графита, расположенные ближе к другому электроду, были очень богаты литием, в то время как глубже в них лития почти не было. Ситуация становилась тем хуже, чем быстрее они заряжали.

"Чем быстрее вы его заряжаете, тем быстрее происходит осаждение", - говорит Рагг.

Будущее: нанотрубки и графен?

Это исследование ни в коем случае не является окончательным решением проблемы быстрой зарядки. Оно лишь означает, что исследователи должны найти новые и лучшие решения.

"Главное, что нужно сделать тем, кто производит аккумуляторы, - это попытаться найти способы улучшить транспортировку лития, чтобы при быстрой зарядке было больше шансов, что литий действительно дойдет до всего графитового анода", - говорит Рагг.

Исследователи по всему миру ищут новые материалы и методы, которые позволят батареям лучше выдерживать быструю зарядку.

"Например, многие используют углеродные нано-трубки. Углеродная нано-трубка - это то, что получится, если взять одну из карт и скрутить ее в трубочку. Это похоже на графит, который сформирован в трубки, а не в плоскую форму".

Рагг и его коллеги из Университета Осло работают с графеном, отдельными листами графита, в аноде.

"Графит известен уже сотни лет. Графен и углеродные нанотрубки известны около 30 лет, так что на это нужно время".

Пока что ни одна из этих инноваций не появилась в коммерческих батареях.

"Но это несомненно произойдет", - говорит Рагг.

15
Показать комментарии (15)

Популярные новости

Популярные статьи

Сейчас обсуждают