Быстрая зарядка и мощные аккумуляторы для электромобилей: американская модель раскрывает тайны отказов литиевых батарей

Исследователь из Университета Висконсин-Мэдисон разработал революционную вычислительную модель, которая помогает понять причины отказов литий-ионных аккумуляторов.

«Литий-ионные аккумуляторы с функцией быстрой зарядки повсеместны — они питают смартфоны, ноутбуки и электромобили. Однако они также известны риском перегрева и даже возгорания», — говорится в пресс-релизе университета.

Ассистент-профессор Вэйюй Ли создал модель, которая объясняет явление литиевого осаждения — ключевого фактора, связанного с перегревом и пожароопасностью аккумуляторов при быстрой зарядке.

Что такое литиевое осаждение?

Во время ускоренной зарядки на поверхности анода аккумулятора может образовываться металлический литий. Это явление называется осаждением лития и ведёт к ухудшению характеристик батареи, возникновению коротких замыканий и ускоренному старению.

«До сих пор механизмы, запускающие осаждение лития, оставались малоизученными», — отмечается в сообщении.

Новая модель раскрывает причины и пути решения

В своём исследовании профессор Ли разработала модель, которая точно отображает взаимодействие между транспортом ионов и электрохимическими реакциями в графитовом аноде — одном из самых распространённых материалов в литий-ионных аккумуляторах.

«С помощью этой модели мне удалось установить взаимосвязь между ключевыми параметрами — такими как рабочие условия и свойства материалов — и моментом начала осаждения лития», — пояснила Ли.

Она также разработала специальную диаграмму, которая предоставляет практические рекомендации по предотвращению осаждения. Это позволяет другим исследователям использовать её результаты без необходимости проводить дополнительные расчёты.

Диаграмма осаждения лития (Li-plating diagram)

В отличие от предыдущих исследований, сосредоточенных на экстремальных условиях, модель профессора Ли охватывает широкий спектр режимов работы.

«Мы вывели аналитическое уравнение, связывающее время начала осаждения лития с параметрами работы и характеристиками материалов, и представили соответствующую диаграмму», — говорится в исследовании.

Эти выводы помогут при проектировании как новых аккумуляторных материалов, так и оптимальных протоколов зарядки.

Безопасность и долговечность батарей — в фокусе

В дальнейшем профессор Ли планирует усовершенствовать модель, учитывая механические факторы, такие как напряжения в компонентах аккумулятора, которые могут также влиять на осаждение лития.

«Физически обоснованные рекомендации позволяют определить оптимальный режим изменения плотности тока при зарядке, в зависимости от степени заряда и свойств материалов, чтобы избежать осаждения лития», — подчеркнула Ли.

Результаты её работы опубликованы в журнале ACS Energy Letters.

На фоне растущего спроса на электромобили, совершенствование литий-ионных батарей становится всё более актуальным. Недавно американские учёные также представили метод визуализации, позволяющий заглянуть внутрь работающей батареи и анализировать её поведение в реальном времени.