Замена таких гаджетов, как смартфоны или ноутбуки только потому, что в них перестал держать заряд аккумулятор, может стать настоящей головной болью. Однако новое исследование предлагает способ значительно увеличить срок службы обычных литий-ионных батарей, начиная с их первого цикла зарядки.
Зарядка литий-ионных батарей, которые питают большинство персональных устройств и электромобилей (EV), при высоких температурах или с высокими токами до их поступления на рынок может продлить средний срок их службы на 50%, заявили учёные в новом исследовании, опубликованном 29 августа в журнале Joule.
«Результаты демонстрируют универсальный подход к пониманию и оптимизации этого важнейшего этапа в производстве батарей», — отметил соавтор исследования Стивен Торризи (Steven Torrisi), старший научный сотрудник Toyota Research Institute/Института исследований Toyota в Калифорнии.
Типичная литий-ионная батарея имеет положительный и отрицательный электрод в растворе электролита, содержащем ионы лития. Когда вы заряжаете аккумулятор, ионы лития перемещаются на отрицательный электрод. Затем, когда вы используете батарею и расходуете её заряд, ионы лития перемещаются из отрицательного электрода в положительный. Возвратный поток ионов способствует образованию электрического тока, питающего устройство.
Новая литий-ионная батарея изначально полностью разряжена: положительный электрод заполнен литием, а в отрицательном электроде достаточно места для перемещения ионов лития. Однако при первом заряде часть лития застревает на поверхности отрицательного электрода. Этот «запертый» литий вместе с другими компонентами электролитного раствора становится частью слоя, называемого межфазным слоем твёрдого электролита (SEI). SEI покрывает отрицательный электрод, защищая его от побочных реакций, которые могут привести к дальнейшей потере лития и сократить срок службы батареи.
Обычно производители в первый раз заряжают батарею медленно, чтобы создать стабильный SEI. Однако это не всегда является наиболее экономически эффективным методом, и недавние исследования показывают, что быстрая зарядка аккумулятора не обязательно оказывает негативное влияние на срок его службы. Более того, существует несколько других параметров, которые могут повлиять на образование SEI, поэтому оптимизация первого заряда для достижения наилучшей производительности батареи не является простой задачей.
В новом исследовании учёные использовали машинное обучение, чтобы выявить параметры, которые оказывают наибольшее влияние на образование SEI. Особое внимание привлекли два фактора — ток и температура во время первой зарядки.
Зарядка батареи примерно за 20 минут, вместо обычных 10 часов, продлила общий срок службы батареи примерно на 50%. Во время первой зарядки больше лития «застревает» в SEI, что ограничивает возможность будущих побочных реакций, которые могли бы сократить срок службы батареи на следующих циклах.
Повышение температуры до 55 градусов Цельсия (131 градус по Фаренгейту) дало аналогичный эффект, улучшив срок службы батареи в среднем на 57%. Это улучшение, по мнению исследователей, связано с изменениями в составе SEI, которые делают его более прочным. Однако эти методы не сработали в синергии: быстрая зарядка и высокая температура вместе не улучшили производительность батареи.
«Мы не просто хотели найти лучший рецепт для создания хорошей батареи; мы хотели понять, как и почему это работает, — сказал соавтор исследования Уилл Чу (Will Chueh), материаловед из Стэнфордского университета. — Это понимание важно для нахождения баланса между производительностью батареи и эффективностью производства.»
Новая стратегия может также сделать батареи дешевле, отметил Чу.
«Это отличный пример того, как [Стэнфордский центр линейных ускорителей] занимается научными исследованиями в области производства, чтобы сделать критически важные технологии для энергетического перехода более доступными, — подчеркнул он. — Мы решаем реальную проблему, с которой сталкивается индустрия.»
