Литий-ионные батареи, используемые в большинстве современных электромобилей и гибридов, как правило, теряют емкость по мере циклов (зарядка, разрядка и повторная зарядка). Это происходит потому, что во время зарядки небольшие частицы лития могут отделяться от электродов батареи. Однако команда ученых из Министерства энергетики США и Стэнфордского университета утверждает, что им удалось восстановить электрическую связь с этим «мертвым» литием, частично обратив вспять нежелательную потерю емкости и продлив срок службы литиевых батарей на 30%.
«Я всегда считал изолированный литий вредным, поскольку он вызывает деградацию батарей и даже возгорание», — сказал И Куи, профессор Стэнфордского университета и SLAC, а также исследователь Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES), в интервью Science Daily. Куи, руководивший исследованиями по обращению вспять деградации литий-ионных батарей вместе с учеными из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, пояснил: «[Мы] обнаружили, как электрически соединить этот «мертвый» литий с отрицательным электродом, чтобы реактивировать его».
Здесь я приведу очень простое, возможно, упрощенное введение для неинженеров: литий-ионные батареи содержат положительно заряженные частицы лития (ионы), которые перемещаются вперед и назад между катодами и анодами батареи. Это движение переносит электроны через батарею в виде тока, подобно тому, как движущаяся вода является током. Со временем некоторые из этих частиц теряются, остаются у анода и никогда не возвращаются к катоду. В конечном итоге они истощаются, становясь электрохимически неактивными и просто как бы «плавая» там. Ученые, опубликовавшие это исследование, называют их «островами» «мертвого» лития, и именно это приводит к потере емкости батарей электромобилей — внутри батареи работает меньше ионов лития, поскольку все больше и больше ионов теряются и становятся островами.
Команда Куи обнаружила, что они могут заставить этих маленьких ребят снова двигаться, эффективно и очень быстро разряжая накопленную в батарее энергию. «Мертвые» ионы как бы «идут с потоком», и многие из них находят путь обратно к электроду и возвращаются к работе.
«Мы обнаружили, что можем перемещать отсоединенный литий к аноду во время разрядки, и эти движения быстрее при более высоких токах», — рассказал Science Daily Фанг Лю, постдок Стэнфордского университета и ведущий автор исследования. «Поэтому мы добавили быстрый шаг быстрой разрядки высоким током сразу после зарядки батареи, что переместило изолированный литий достаточно далеко, чтобы соединить его с анодом. Это реактивирует литий, чтобы он мог участвовать в жизни батареи».
Результаты исследования были подтверждены на нескольких тестовых батареях и с помощью компьютерного моделирования. Они также демонстрируют, как изолированные ионы лития могут быть «восстановлены» в реальной батарее путем изменения протокола зарядки, что может продлить срок службы батареи до 30%.
Более того, выводы исследования могут быть использованы в батареях «второй жизни», которые служат накопителями энергии для больших зданий, увеличивая их емкость и снижая риск возгорания — подобно тому, как это произошло с проектом Tesla Megapack в Австралии прошлым летом.
Мнение Electrek:
Одним из наиболее распространенных аргументов, которые приводят отстающие и противники электромобилей, является постоянно уменьшающаяся полезность батареи электромобиля, несмотря на то, сколько Tesla проезжают сотни тысяч миль. Если эта технология сможет продлить срок службы батареи на целых 30%, это означает меньше оборота, меньше выбросов и более дешевые, но все еще полезные электромобили для всех.
Исследование под названием «Динамическое пространственное распределение изолированного лития во время работы батареи» было первоначально опубликовано в Nature и освещено Science Daily. Изображение вверху взято с завода по сборке аккумуляторов Volvo Car в Генте, Бельгия.