Вчені з норвегії розповіли, чому швидка зарядка знижує ємність автомобільного акумулятора

19

Коли іони літію швидко проходять через батарею, вони можуть затриматися і перетворитися на металевий літій, який більше не зможе рухатися через батарею.

Уявіть собі, що ви можете заправити свій електромобіль під час зупинки, щоб швидко перекусити, або поповнити заряд телефону під час чищення зубів.

“швидка зарядка-це свого роду святий грааль. Це те, що хоче мати кожен власник пристрою на основі літій-іонного акумулятора”, – говорить старший інженер девід рагг з центру матеріалознавства та нанотехнологій університету осло.

Всередині батареї, тим не менш, багато складної хімії, яка може бути чутлива до того, як швидко вона заряджається. Все може піти не так.

“втрата ємності є найбільш критичною”, – говорить рагг.

“можна створювати акумуляторні батареї з дуже високою ємністю, які можуть дозволити вам проїхати на електромобілі 1000 км, але після того, як ви зарядите і розрядите його кілька разів, ви втратите приблизно половину цієї ємності і дальності ходу.

Всі акумуляторні батареї з часом погіршуються, але цей негативний ефект стає особливо сильним, коли батарея піддається швидкій зарядці. Рагг – один з дослідників, які проводили дослідження, яке показало, що це відбувається.

Дослідники змогли побачити, що іони літію, які так важливі для ємності батареї, перетворюються в чистий металевий літій і більше не є придатним матеріалом. І найголовніше: цей ефект значно посилюється при швидкій зарядці.

Батарея схожа на крісло-гойдалку

На одній стороні батареї знаходиться анод, а на іншій – катод. Обидва ці електроди можуть накопичувати електрони та іони. Між ними знаходиться спеціальний захисний матеріал-сепаратор і рідкий електроліт, який допомагає іонам переходити з одного боку на іншу.

Іони і електрони переміщаються з одного боку батареї на іншу, коли ви використовуєте накопичений там струм, і назад, коли ви її заряджаєте.

” такий механізм називають механізмом крісла-гойдалки, коли ви розгойдуєте іони і електрони з одного боку на іншу. “

“коли акумулятори нові і працюють ідеально, вони можуть зберігати певну кількість іонів, і це загальна ємність системи”, – говорить рагг.

Коли іони, які раніше рухалися туди-сюди, перетворюються в метал, вони більше не можуть переміщатися по батареї. Іони заряджені і можуть рухатися вперед і назад. Атоми металу нейтральні і не можуть бути переміщені ні в одну, ні в іншу сторону.

” як тільки літій перетворюється на метал, він більше не доступний для електрохімічної реакції. Ця ємність повністю втрачається”, – говорить рагг.

Це відбувається у всіх акумуляторних літій-іонних батареях, коли ви заряджаєте їх досить багато разів. Але чому ситуація погіршується при швидкій зарядці?

Вузькі місця під час швидкої зарядки

Під час швидкої зарядки через систему проходить та ж кількість іонів, але набагато швидше. Всі іони повинні знайти своє місце на аноді за набагато менший час.

” коли ви заряджаєте з подвоєною швидкістю, вам доводиться переміщати ту ж кількість іонів і електронів за вдвічі менший час, – говорить рагг.

Якщо ви заряджаєте в чотири або шість разів швидше, то, природно, це буде ще складніше”.

“це складно, тому що існують певні обмеження на хімічні процеси, які відбуваються, коли ви намагаєтеся дуже швидко помістити іони літію в твердий електродний матеріал”, – говорить рагг.

Аноди, які отримують іони під час зарядки, зроблені з графіту, який складається з тонких шарів вуглецю. Анод складається з декількох мільйонів таких шарів.

” порошковий графіт схожий на колоду карт, а іони літію – на крихітні кульки, які заштовхуються в проміжки між картами. Проблема в тому, що при спробі проштовхнути іони літію між шарами графіту можуть виникнути вузькі місця.

Ви продовжуєте проштовхувати іони всередину, але поки іони, які вже знаходяться між шарами, не зможуть просунутися глибше в стопку, новим іонам нікуди буде проникати”. Коли ви заряджаєте акумулятор дуже швидко, літій взагалі не поширюється по всьому графітовому електроду. Він просто застряє поруч з електролітом, де анод і катод розділені”.

Саме тут, в цих вузьких місцях, заряджені іони перетворюються в нейтральні атоми і накопичуються в крихітних гранулах металу. Іони не рухаються далі, в той час як енергія прикладається. Цей надлишок енергії може бути тим, що перетворює іон в нейтральний і стабільний атом.

Це називається “літієве осадження”. Це коли іони літію, замість того щоб залишатися в іонній формі, перетворюються в металевий літій. Про це відомо вже давно, але раніше це не спостерігалося в працюючій батареї”, – говорить рагг.

Однак раггу і його колегам вдалося це зробити. Використовуючи рентгенівські промені, вони сканували батареї кожні 25 мілісекунд, знову і знову, під час швидкої зарядки з різною швидкістю. Це дало їм величезну кількість даних про те, що відбувається аж до атомного рівня.

” ми дійсно могли бачити, як наростає літієве покриття. Під час швидкої зарядки ми могли бачити, як кількість літію збільшується дуже швидко. Наша теорія полягає в тому, що це якось пов’язано з вузьким місцем для іонів літію. Ми бачимо багато іонів літію поблизу сепаратора, і саме там ми бачимо літієве осадження”, – говорить рагг.

” найбільш імовірно, що ці іони літію накопичуються, і вони просто не можуть більше дістатися до графіту. Вони застряють там, і на них виділяється багато тепла, багато енергії, і так вони відновлюються до металевого літію”.

Вони побачили, що шари графіту, розташовані ближче до іншого електрода, були дуже багаті літієм, в той час як глибше в них літію майже не було. Ситуація ставала тим гірше, чим швидше вони заряджали.

“чим швидше ви його заряджаєте, тим швидше відбувається осадження”, – говорить рагг.

Майбутнє: нанотрубки і графен?

Це дослідження ні в якому разі не є остаточним рішенням проблеми швидкої зарядки. Воно лише означає, що дослідники повинні знайти нові і кращі рішення.

“головне, що потрібно зробити тим, хто виробляє акумулятори, – це спробувати знайти способи поліпшити транспортування літію, щоб при швидкій зарядці було більше шансів, що літій дійсно дійде до всього графітового анода”, – говорить рагг.

Дослідники по всьому світу шукають нові матеріали і методи, які дозволять батареям краще витримувати швидку зарядку.

” наприклад, багато хто використовує вуглецеві нано-трубки. Вуглецева нано-трубка – це те, що вийде, якщо взяти одну з карт і скрутити її в трубочку. Це схоже на графіт, який формується в трубки, а не в плоску форму”.

Рагг та його колеги з університету осло працюють з графеном, окремими аркушами графіту, в аноді.

“графіт відомий вже сотні років. Графен і вуглецеві нанотрубки відомі близько 30 років, так що на це потрібен час”.

Поки що жодна з цих інновацій не з’явилася в комерційних батареях.