Увеличить срок службы литий-ионного аккумулятора или поднять его мощность, добавить ёмкость при сохранении размеров — всё это было бы так здорово в наших смартфонах, ноутбуках и электроинструменте.
💡 Решают эти сложные инженерные задачи при помощи создания новых материалов катода, анода, электролита и их особой комбинации между собой, применяя в том числе различные вещества-присадки.
🔋 Neovolt.ru ➡ Блог ➡ Исследование
Действительно ли кто-то улучшает аккумуляторы Li-ion?
Да, действительно. Успешные сочетания патентуют и представляют мировому сообществу в качестве новых технологий аккумуляторов.
⭐ Какие-то из них доходят до рынка [пример], какие-то остаются в кулуарах университетов.
Особенности прогресса в сфере литий-ионных аккумуляторов:
- чаще всего учёным удаётся улучшать катодный материал;
- хуже всего поддаётся улучшениям анод;
- электролит учёные мечтают сделать твердотельным или приблизить к этому состоянию (сейчас он жидкостный, в особых случаях гелевый).
Мы хотели бы снять завесу тайны над процессом повышения срока службы аккумулятора и его мощности за счёт изменения электролита. Ведь здесь используются достаточно простые решения.
Достижения XXI-го века — присадки для электролита Li-ion
Присадки к электролиту — подход, который показал успешные результаты в экспериментах с увеличением срока службы литий-ионного аккумулятора. Особые вещества при сочетании с материалами элемента питания уменьшают паразитарные реакции между электролитом и электродными материалами.
💡 За счёт этих улучшений, например, поднимают напряжение до 4,4В — уменьшенный из-за перезаряда срок службы нивелируется присадками, увеличивающими срок службы.
Производители спешат рассказать, какой замечательный у них аккумулятор после усовершенствования электролита. Вот только немногие из коммерсантов действительно хорошо понимают, как действуют эти добавки (присадки) на самом деле и просто копируют других, либо мешают концентрации «от балды».
Если обратиться к исследованию «Effects of Electrolyte Additives and Solvents on Unwanted Lithium Plating in Lithium-Ion Cells» (в переводе: «Влияние добавок к электролиту и растворителей на нежелательное литиевое покрытие в литий-ионных элементах») [опубликовано в научном издании IOP Publishing в 2017-м году], то там упоминается весьма любопытное умозаключение:
«Никто точно не знает, как и где именно в цикле заряда-разряда они [присадки] окажутся выгодны. Поэтому важно иметь возможность определять объёмы и комбинации добавок, которые могут помочь в понимании, как они взаимодействуют [с электролитом и между собой], какими преимуществами в зависимости от напряжения обладают.» © MCAPN-2014-3a.
Другими словами, необходим метод, который точно скажет: «Вот столько-то присадок такого-то типа материала нужно для электролита аккумулятора, чтобы очередной новый смартфон Apple, Samsung или Xiaomi проработал ещё дольше от одной зарядки и ещё больше отслужил по циклам».
И такой метод есть.
Как производители определяют, сколько добавлять присадок в электролит Li-ion-аккумулятора?
Они используют метод изотермической микрокалориметрии [источник — публикация в научном журнале Physical Chemistry Chemical Physics].
Что даёт метод изотермической микрокалориметрии?
Он помогает точно определить эффекты от добавки к электролиту литий-ионного аккумулятора любой электрохимической системы (LCO, NMC, LFP и других). Он определяет, как будут купироваться паразитарные реакции, происходящие в зависимости от уровня заряда.
Что из себя представляет указанный метод?
Используется микрокалориметр высокого разрешения (например, ТАМ — TA Instruments-Waters LLC) с целью сравнения теплового потока в различных концентрациях присадок к электролиту при разном уровне заряда.
Мы измеряем и записываем разницу в тепловыделении. Эти цифры показывают разницу паразитного тепла после добавления присадок в зависимости от состояния заряда. Затем подсчитываем экономическую целесообразность определённого веса присадочных веществ в электролите.
Можно пример на батареях гаджетов?
Приведём пример влияния присадки винилен карбоната (вещество UNII по ISO 11238: 1X0ZZF9WFV) для электролита в маленькой пакет-ячейке (полимерный pouch-bag) литий-ионного кобальтового аккумулятора, который применяется в гаджетах (например, смарт-часы):
- ёмкость 225 мА·ч;
- катод — LiCoO2;
- анод — графит;
- электролит — жидкостный;
- присадка — винилен карбонат (C3H2O3, эфир ненасыщенной циклической угольной кислоты).
На графике изображено, как присадка снижает паразитарные реакции при заряде аккумулятора до напряжения выше 3,9В (в данном случае — заряд до 4,2В и разряд до 3,775В). Причём она продолжает снижать эти реакции с увеличением состояния заряда. Успех!
На верхнем графике показаны измерения тепловыделения под нагрузкой (порядка 300 часов) и без (около 100 часов). На нижнем — профиль напряжения.
🔎 Для наглядности приведены измерения только ячейки с 4%-м составом присадки винилен карбоната.
Даже при таких малых токах, как 2 мА, тепловыделение маленького аккумулятора на 2–3 порядка больше у контрольной ячейки, чем у экземпляра с добавлением присадки. Причём во всём диапазоне напряжений.
👉 В исследовании указано, что разница между 2% и 4% присадочного вещества практически незаметна — то есть пользы от добавления более 2% присадок для этой ячейки никакой нет.
***
Изотермическая микрокалориметрия — хороший, простой, относительно доступный и эффективный метод проверки улучшений аккумулятора литий-ионного типа за счёт добавки присадок к электролитическому материалу. К сожалению, не все производители им пользуются [источник].
⭐ Чаще всего доверяют общим подходам и тенденциям на рынке, иногда копируют разработки других компаний (например, аккумуляторы Contemporary Amperex Technology для iPhone).
Фактически есть производители-поставщики аккумуляторов, которые мешают материалы «от балды». Например, они достигают максимальных напряжений заряда, увеличивая ёмкость [про эту историю].
Но те, кто имеет точные цифры, понимают сколько именно выбрать присадок для комбинации в конкретном химическом составе Li-ion-ячейки. Они получают более выгодные схемы производства и более эффективные аккумуляторы с уменьшением паразитарных реакций на положительном электроде.
👉 Узнайте ещё о производстве аккумуляторов Li-ion
Литературу, которую использовали в статье, предлагаем для дальнейшего самостоятельного изучения вопроса:
- Исследование «Isothermal microcalorimetry as a tool to study solid–electrolyte interphase formation in lithium-ion cells» [ссылка в Pubs.rsc.org].
- Исследование «The Application of Isothermal Microcalorimetry to the Study of Parasitic Reactions in Lithium Ion Batteries» [ссылка в Dalspace.Library.dal.ca]
- Журнал «Power Sources» авторства Y. Saito, K. Takano, K. Kanari, A. Negishi, K. Nozaki и K. Kato, страницы 97–98 и 688–692 (2001 год, издание появлялось в Google Books, сейчас ссылка умерла).
- Журнал «Electrochem. Soc.» авторства W. Lu и J. Prakash, J., издание 150, страницы A262–A266 (2003 год, можно найти в PDF).
