Неожиданно оказалось, что достаточно внести небольшие изменения в процесс производства аккумуляторов для электромобилей, чтобы значительно увеличить срок их службы. Таков результат исследования, проведенного в известном Стэнфордском университете в американском штате Калифорния. С помощью искусственного интеллекта ученым из SLAC Battery Center удалось оптимизировать производственный процесс при изготовлении литий-ионных батарей.
Интересно, что речь не идет о новой чудо-батарее. Не нужно менять ни структуру химического состава элементов, ни сами элементы, ни всю батарею, ни даже процесс производства. Затрагивается только последний этап производства: первая зарядка готовой батареи, также известная как «формовка». До сих пор процесс формирования обычно проводился при низком напряжении.
В калифорнийском исследовательском проекте первая зарядка проводилась при высоком напряжении. Ученые обнаружили, что это увеличило срок службы новой батареи на 50 процентов! Таким образом, накопитель энергии, рассчитанный на 2000 циклов зарядки, может выдержать 3000.
В чем суть? Положительный электрод новой батареи на 100% заполнен литием. Каждый раз, когда батарея проходит через цикл заряда и разряда, часть лития деактивируется. Так происходит старение батареи. Минимизация этих потерь, наоборот, продлевает срок службы батареи. Исследователи обнаружили, что ионы лития также деактивируются во время первого высоковольтного заряда. Однако при этом в положительном электроде образуется дополнительное пространство для хранения заряженных ионов из отрицательного электрода. Это и повышает эффективность дальнейших циклов зарядки и разрядки.
«Извлечение большего количества ионов лития похоже на зачерпывание воды из полного ведра перед тем, как нести его, - говорит участник проекта Сяо Цуй. Дополнительное свободное пространство в ведре уменьшает количество воды, которая расплескивается по дороге, то есть теряется». По словам Цуй, деактивация большего количества ионов лития во время начального процесса зарядки создает свободное пространство на положительном электроде, что позволяет электроду более эффективно управлять ионным обменом в дальнейшем. Это улучшает производительность в долгосрочной перспективе.
Эффект формирования высокого напряжения был проверен на практике на 186 аккумуляторах. В качестве объектов исследования использовались самостоятельно изготовленные ячейки-пакеты.
Побочный эффект: быстрый процесс формовки также экономит время. Вместо обычных десяти часов первая зарядка занимает всего 20 минут, что делает процесс зарядки в 30 раз быстрее. «Мы решили насущную проблему, стоящую перед промышленностью, - говорит руководитель проекта Уилл Чуэ, подводя итог.
В будущем благодаря этому открытию батареи можно будет сделать меньше и легче, что, в свою очередь, увеличит запас хода электромобилей и снизит их стоимость. «Бесценная информация для производителей батарей, которые хотят рационализировать свои процессы и улучшить свою продукцию», - заключает исследовательская группа, в которой помимо команды из Стэнфорда, принимали участие ученые из Массачусетского технологического института (MIT), Исследовательского института Тойоты (TRI) и Университета Вашингтона.