Как продлить срок службы аккумулятора? Исследование учёных Стэнфорда: нужно изменить протокол зарядки.
В экспериментах немного изменили финальный этап зарядки, чтобы подтолкнуть к восстановлению неактивный материал. Он накапливается при старении аккумулятора и заставляет бедолагу терять ёмкость.
👍 Так что — «Эврика»?
🔋 Neovolt.ru ➡ Блог ➡ Научно-популярное
Что случилось?
📃 Учёные Стэндфордского университета (США) и SLAC (Национальная ускорительная лаборатория, Минэнергетики США) в поисках методов ускорения зарядки электромобилей наблюдали за перемещением ионов лития во время зарядки и разрядки литий-ионного аккумулятора NMC. Это Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный элемент (LiNixMnyCozO2), специально разработанный для сквозного наблюдения через приборы («оптическая ячейка»).
👉 Такое тестовое устройство позволило отслеживать, что происходит внутри батареи во время её использования.
Инженерная мысль дала первые плоды. Исследователи обнаружили кое-что интересное.
Что учёные нашли?
Электрохимически неактивный материал (условно назван «мёртвый литий») восстанавливается, если в самом конце зарядки аккумулятора кратковременно изменить:
- продолжительность,
- направление
- и приложенную плотность тока.
Перемещению ионов лития перестаёт мешать островок из «мёртвого лития». Аккумулятор вновь набирать ёмкость.
✅ Нужен краткий этап сильноточной разрядки сразу после зарядки аккумулятора.
Учёные провели эксперимент и смогли разработать протокол зарядки литий-ионных аккумуляторов. Повторное подключение «мёртвого лития» к аноду увеличило срок службы литий-ионной испытательной ячейки почти на 30%.
👉 Мы отправили вопросы к разработчикам по указанным в работе email, вот какие комментарии они дали.
💬 Yi Cui (Йи Цуй, руководитель исследования)
При зарядке элемента островок «мёртвого лития» медленно двигается к катоду. При разряде ползёт в обратную сторону. Аналогия с червём.
Это похоже на очень медленного червяка, который продвигает голову вперед и втягивает хвост, чтобы двигаться нанометр за нанометром. В этом случае он перемещается, растворяясь на одном конце и откладывая материал на другой конец. Если мы сможем поддерживать движение литиевого червяка, он в конечном итоге коснётся анода и восстановит электрическое соединение.
💬 Fang Liu (Фан Лю, ведущий автор)
Когда островок неактивного металлического лития перемещается к аноду или отрицательному электроду батареи и снова подключается, он оживает. Ионы лития вновь сохраняют заряд до тех пор, пока он не понадобится.
Мы обнаружили, что можем [принудительно] перемещать отделённый литий к аноду во время разряда. Эти движения быстрее при более высоких токах. Поэтому мы добавили этап быстрой сильноточной разрядки сразу после зарядки аккумулятора, в результате чего изолированный литий сдвинулся достаточно далеко, чтобы снова соединить его с анодом. Это реактивирует литий, так что он может участвовать в сроке службы батареи. Наши результаты также имеют большое значение для проектирования и разработки более надёжных литий-металлических батарей.
💬 Мнение Neovolt
Открытие заслуживает внимания, так как уже доступно для практического применения здесь и сейчас. Достаточно поменять протокол зарядки в блоке питания, не трогая сами аккумуляторные ячейки.
👍 Тот случай, когда изобретать новую батарейку не нужно.
1. Они все стареют
Все аккумуляторы стареют и теряют ёмкость — деградирует их материал из-за непрекращающихся окислительно-восстановительных реакций внутри. Образуются дендриты и, как учёные назвали, «мёртвый литий» [публикация в Journal of Materials Chemistry A, 2017] в ходе растворения дендритов и образования границы раздела твёрдого электролита и изолированного лития.
⭐ То есть любая литий-ионная батарея даже самая дорогая — это расходник, требующий замены через 2-3 года в случае мобильной электроники и 4-8 лет в устройствах покрупнее (от ноутбуков до электромобилей).
2. Графики обещают +200 циклов
Мы изучили графики (ниже ссылка на источник). На них изображено возвращение номинальной кривой зарядки после активации режима «подталкивания» аккумулятора в конце каждого цикла зарядки.
По сути, если сразу же начать использовать предложенный алгоритм в новой аккумуляторной ячейке, то теоретически она прослужит на 200 циклов больше. Важно отметить, что утверждение справедливо для испытуемого примера высокотоковых ячеек NMC, которые в среднем служат 700-1000 циклов.
3. Не всё так гладко
Но возникают вопросы. Можно ли такое применять, например, для смартфонных кобальтовых LCO-ячеек? Они опасны при перезаряде и «играх» с током на финальных этапах зарядки (при высоком напряжении очень чувствительны к току, чуть что вызывая неконтролируемый тепловой разгон).
***
Никакой «эврики» не будет. Да, исследование с хорошими многообещающими результатами (продлить срок службы аккумулятора NMC на 200 циклов — очень круто). Но возникают теоретические вопросы и гипотезы.
💭 Теория требует экспериментов и испытаний на практике.
Сколько времени учёным понадобится до доведения алгоритма до коммерческих образцов зарядников, продляющих срок службы батарей?
Источник для самостоятельного изучения:
🔻 Научная публикация: «Динамическое пространственное перемещение изолированного лития во время работы от батареи» [журнал Nature, 22 декабря 2021].
Напишите, интересно ли вам узнавать о свежих исследованиях с результатами, которые можно применять на практике?