Вчені знайшли новаторський метод для швидшого зарядження акумуляторів.

Це було останнє в серії досліджень, фінансованих TRI згідно з угодою про спільні дослідження з Національною прискорювальною лабораторією SLAC Департаменту енергетики.

Стівен Торрісі, старший науковий співробітник TRI і учасник дослідження, зазначив, що отримані результати мають практичну цінність не тільки для виробництва літій-іонних акумуляторів, які використовуються в електромобілях та електромережах, але й для інших технологічних галузей.

"Це дослідження викликає у нас велике захоплення", – зазначив він. "Виробництво акумуляторів потребує значних інвестицій, витрат енергії та часу. Розгортання виробництва нової батареї займає багато часу, а оптимізація виробничого процесу є надзвичайно складною через велику кількість залучених факторів".

Торрісі зазначив, що висновки цього дослідження "відображають комплексний підхід до розуміння та вдосконалення критичного етапу у виробництві акумуляторів. До того ж, знання, які ми здобули, можуть бути застосовані до нових процесів, об'єктів, обладнання та хімічних складових акумуляторів у майбутньому".

Для того щоб розібратися в процесах, що відбуваються на початковому етапі роботи батареї, команда Чуех виготовляє пакетні елементи, де позитивні і негативні електроди занурені в електролітний розчин, що дозволяє іонам літію переміщатися без обмежень.

Під час заряджання акумулятора, іони літію переміщуються до негативного електрода, де вони зберігаються. Під час розряджання іони повертаються назад і рухаються до позитивного електрода; цей процес створює потік електронів, які забезпечують енергією пристрої, такі як електромобілі та електромережі.

Позитивний електрод нової батареї на 100% заповнений літієм, сказав Сяо Цуй, провідний дослідник групи інформатики акумуляторів у лабораторії Чуе. Щоразу, коли батарея проходить цикл заряджання-розряджання, частина літію дезактивується. Мінімізація цих втрат подовжує термін служби батареї.

Цікаво, що один з методів зменшення загальної втрати літію полягає у свідомому втраченні значного відсотка початкового запасу літію під час першого заряджання акумулятора, зазначив Цуї. Це схоже на невелику інвестицію, яка з часом окупиться з надлишком.

Ця втрата літію під час першого циклу має своє значення. Втрачені іони літію інтегруються у м'який шар, відомий як межфаза твердого електроліту (SEI), що формується на поверхні негативного електрода при початковому заряді. Цей SEI виконує захисну функцію, оберігаючи негативний електрод від небажаних реакцій, які могли б прискорити витрати літію та зменшити ємність батареї з часом. Важливість правильного формування SEI настільки висока, що перший заряд часто називають зарядом формування.

"Цуї зазначив, що формування є завершальним етапом у виробничому циклі. Якщо на цьому етапі виникнуть проблеми, усі попередні вкладення і робота, присвячені батареї, виявляться марними."

Виробники зазвичай дають нові батареї першу зарядку малими струмами, вважаючи, що це створить найнадійніший шар SEI. Але є й недолік: заряджання при низьких струмах займає багато часу та коштує, і не обов'язково дає оптимальні результати. Отже, коли нещодавні дослідження показали, що швидша зарядка з більшою силою струму не погіршує продуктивність батареї, це була захоплива новина.

Проте науковці прагнули дослідити питання ґрунтовніше. Зарядний струм становить лише один із численних чинників, що впливають на формування SEI під час початкового заряду. Перевірка всіх можливих комбінацій у лабораторних умовах для визначення найоптимальнішої є надзвичайно складним завданням.

Щоб зменшити проблему до керованого розміру, дослідницька група використала наукове машинне навчання, щоб визначити, які фактори є найважливішими для досягнення хороших результатів. На їхній подив, лише два з них - температура та сила струму, якими заряджається батарея - виділялися серед усіх інших.

Дослідження показали, що зарядка з використанням високих струмів значно подовжує термін експлуатації середньої тестової батареї на 50%. Цей метод також призводить до дезактивації більшого відсотка літію на початковому етапі - приблизно 30% у порівнянні з 9% за попередніми технологіями, але цей ефект виявився позитивним.

Цуї порівнює видалення більшої кількості іонів літію з передньої частини з процесом зачерпування води з повного відра перед його перенесенням. Це створює додатковий простір у відрі, зменшуючи кількість води, яка розбризкується під час перенесення. Аналогічно, дезактивація більшої кількості іонів літію під час формування SEI створює додатковий простір у позитивному електроді, що дозволяє йому працювати ефективніше і покращує подальшу продуктивність.

"Чуе зазначив, що метод проб і помилок є звичайною практикою в оптимізації виробничих процесів. Він підкреслив важливість першого заряджання та пошуку оптимальної комбінації факторів, що забезпечують найкращі результати. 'Ми не просто намагалися знайти ідеальний рецепт для створення високоякісної батареї; ми прагнули зрозуміти механізми її роботи', - сказав він. Це глибоке розуміння є ключовим для досягнення оптимального балансу між продуктивністю батареї та ефективністю виробництва."