Разрушить, чтобы ускорить: Парадокс аккумулятора

Новое исследование показало, что скорость зарядки литий-ионного аккумулятора можно существенно увеличить с помощью многочисленных трещин катода.


Литий-ионные аккумуляторы — наиболее распространенный тип электрических аккумуляторов, который используется в современной бытовой электронике, электромобилях и накопителях энергии. Они состоят из анода из пористого углерода и катода из оксида лития с различными добавками металлов. Между ними находится сепаратор из полипропилена, пропитанный электролитом — жидкостью или гелем, содержащим свободные ионы. При зарядке и разрядке аккумулятора ионы лития перемещаются между анодом и катодом через электролит, а электроны — по внешней цепи, создавая электрический ток.

Долгое время считалось, что литий диффундирует в объем частицы катода с поверхности. От этого зависела скорость зарядки аккумулятора: чем меньше частицы, тем больше у них площадь поверхности относительно объема, тем быстрее они заряжаются. Однако новое исследование ученых из Мичиганского университета показало, что это не так.

Трещины в положительных электродах литий-ионных аккумуляторов оказывают влияние на время зарядки батареи, противореча мнению некоторых производителей электромобилей. Исследователи из Мичиганского университета обнаружили, что удаление трещин на положительном электроде не позволит частицам аккумулятора быстро заряжаться без дополнительной площади поверхности.

Исследователи также обнаружили, что таким образом ведет себя не только внешняя поверхность. Внутри катодных пластин также происходит растрескивание, что создает более активные площади для поглощения ионов лития. Это открытие поможет лучше понять, как трещины влияют на скорость зарядки аккумулятора.

Для своих исследований ученые использовали специально разработанный чип с микроэлектродами, который переносил отдельные частицы на массив электродов. При этом было выяснено, что скорость зарядки катодных частиц не зависит от их размера. Более крупные частицы с трещинами ведут себя как набор более мелких частиц.

Эти результаты важны для разработки батарей для электромобилей, поскольку свыше половины всех аккумуляторов для электромобилей содержат положительный электрод, состоящий из миллиардов микроскопических частиц. Скорость зарядки положительного электрода определяется отношением поверхности к объему частиц. Меньшие частицы должны заряжаться быстрее, чем большие, за счет увеличенной площади поверхности.

Однако, чтобы использовать это открытие на практике, требуется дальнейшее увеличение размера частиц батареи в 200 раз. Это представляет сложности при производстве батарей, поэтому важно найти альтернативные методы увеличения скорости зарядки, такие как создание монокристаллических катодов из материалов с более высокой скоростью переноса лития.

В целом, исследование показало, что трещины в литий-ионных аккумуляторах положительного электрода оказывают положительное влияние на время их зарядки. Это открытие имеет большое практическое значение для разработки более эффективных и долговечных батарей для различных применений, включая электромобили и другие устройства, которые зависят от литиевых аккумуляторов.