Новый способ зарядки может удвоить срок службы литий-ионных батарей

Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы сегодня являются наиболее практичными и эффективными средствами хранения автономного запаса электроэнергии и обеспечения питания устройств, они тоже имеют ограниченный ресурс. Пока одни ученые ищут альтернативные материалы и технические решения для автономных источников питания, другие говорят, что можно усовершенствовать литий-ионные батареи, чтобы они работали лучше и дольше. Последние предлагают новый способ зарядки, уменьшающий эффект старения аккумуляторов в ходе циклов перезарядки.

Группа европейских ученых из Берлинского центра им. Гельмгольца (Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB) и Берлинского университета им. Гумбольдта (Humboldt University) разработали альтернативный метод зарядки, значительно продлевающий срок службы литий-ионных батарей по сравнению с современными характеристиками. Как показывают результаты проведенного исследования, батареи могут стать более долговечными и сохранять более высокую емкость после сотен циклов перезарядки, если изменить схему подачи зарядного тока в электролит.

Литий-ионные батареи – это компактные, емкие и надежные аккумуляторы энергии, которые используются уже практически повсеместно. Они обеспечивают автономное питание электрических транспортных средств и электронных устройств, но их емкость постепенно деградирует в ходе циклических миграций ионов лития через мембрану, разделяющую анод и катод. Лучшие литий-ионные аккумуляторы коммерческого класса используют электроды из сложного соединения под названием NMC532 (катод) и графита (анод), которые обеспечивают срок службы до 8 лет.

В традиционном методе зарядки используется постоянный ток от внешнего источника электрической энергии. Ученые исследовали процессы, происходящие в образцах батарей, заряжаемых постоянным током, и обнаружили, что слой твердого электролита на аноде (solid electrolyte interface, SEI) стал "значительно толще". Кроме того, они отметили увеличение количества трещин в структуре обоих электродов.

Утолщение SEI и многочисленные трещины в электродах литий-ионных батарей приводят к значительной потере их емкости. Для решения этой проблемы ученые разработали новый протокол зарядки на основе импульсного тока. После ряда циклов зарядки по новому протоколу они обнаружили, что слой SEI намного тоньше, а изменений в структуре электродов меньше.

Для проведения экспериментов по зарядке батарей импульсным током ученые использовали два мощнейших в Европе синхроускорителя частиц, "BESSY II" и "PETRA III". Они обнаружили, что импульсная зарядка способствует "гомогенному распределению" ионов лития в графите, что уменьшает внутренние механические напряжения, вызывающие растрескивание структуры графита. Новый протокол зарядки также снижает степень деградации NMC532-структуры катода.

Исследование показало, что зарядка батарей высокочастотными прямоугольными импульсами тока дает лучшие результаты. Новый способ зарядки потенциально позволяет удвоить срок службы литий-ионных батарей коммерческого класса при сохранении 80%-ной остаточной емкости.

"Импульсная зарядка может обеспечить множество преимуществ в части стабильности структуры материалов электродов и толщины интерфейсов и за счет этого значительно увеличить срок службы батарей," – отметила один из авторов работы д-р Юлия Коваль (Julia Kowal), профессор Берлинского технического университета (TU Berlin).