Перезаряжаемые батареи питают значительную часть наших электронных устройств. Однако, несмотря на возможность многократного использования, срок их службы ограничен. Новое исследование выявило причину этого явления.
Наши ноутбуки, планшеты и телефоны зависят от перезаряжаемых батарей. Внутри литий-ионной батареи два электрода накапливают литиевые ионы: положительно заряженный анод и отрицательно заряженный катод. Электролит, находящийся внутри батареи, позволяет ионам перемещаться от анода к катоду, что запускает химическую цепочку, в результате которой высвобождаются электроны, создающие заряд.

Однако новое исследование команды из Стэнфордского университета показывает, что вместе с ионами лития к катоду перемещаются и нежелательные «пассажиры». Протоны водорода и электроны также отсоединяются от молекул в электролите и накапливаются на катоде, что снижает эффективность передачи заряда литиевыми ионами. Со временем мощность, которую батареи могут накапливать, снижается.
Эта постепенная «утечка» водорода вызвана рядом химических реакций.
«Даже если вы не используете батарею, она теряет энергию», — сказал Science News физик и химик из Стэнфордского университета Ган Ван (Gang Wan).
Водород — крошечный и повсеместно присутствующий элемент, за которым трудно следить. Чтобы выяснить его роль в разрядке батарей, Ван и его команда заменили водород на его более тяжелый вариант — дейтерий, изотоп водорода, содержащий один нейтрон и один протон, в отличие от обычного водорода, у которого только один протон.
Используя масс-спектрометрию и рентгеновскую визуализацию, команда Вана наблюдала за перемещением дейтерия внутри батареи. Это позволило выяснить, что водород является основной причиной снижения заряда батареи.
Важно отметить, что исследование открывает путь к улучшению батарей, путём устранения нежелательных химических реакций, производящих утечку водорода. Однако это также может заставить разработчиков батарей задуматься. Исследование Вана предполагает, что в гонке за более мощными батареями инженеры могут непреднамеренно увеличивать вероятность захвата катодами свободного водорода, что сокращает срок службы батарей.
Дополнительные исследования разных типов батарей помогут определить, насколько это явление распространено.
Если окажется, что многие батареи подвержены «закону утечки водорода», это может привести к созданию батарей с более долгим сроком службы. Такие улучшения позволят реже менять гаджеты, а также снизить экологическое воздействие от добычи элементов для батарей.
Данное исследование было опубликовано в журнале Science.