Швидка зарядка та потужні акумулятори для електромобілів: американська модель розкриває таємниці відмов літієвих батарей

Дослідник з Університету Вісконсін-Медісон розробив революційну обчислювальну модель, яка допомагає зрозуміти причини відмов літій-іонних акумуляторів.

«Літій-іонні акумулятори з функцією швидкого заряджання повсюдні — вони живлять смартфони, ноутбуки та електромобілі. Однак вони також відомі ризиком перегріву та навіть займання», — йдеться у прес-релізі університету.

Асистент-професор Вейюй Лі створив модель, яка пояснює явище літієвого осадження - ключового фактора, пов'язаного з перегріванням та пожежонебезпечністю акумуляторів при швидкій зарядці.

Що таке літієве осадження?

Під час прискореної зарядки на поверхні анода акумулятора може утворюватись металевий літій. Це називається осадженням літію і веде до погіршення характеристик батареї, виникнення коротких замикань та прискореного старіння.

"Досі механізми, що запускають осадження літію, залишалися маловивченими", - наголошується в повідомленні.

Нова модель розкриває причини та шляхи вирішення

У своєму дослідженні професор Лі розробила модель, яка точно відображає взаємодію між транспортом іонів та електрохімічними реакціями у графітовому аноді – одному з найпоширеніших матеріалів у літій-іонних акумуляторах.

"За допомогою цієї моделі мені вдалося встановити взаємозв'язок між ключовими параметрами - такими як робочі умови та властивості матеріалів - і моментом початку осадження літію", - пояснила Лі.

Вона також розробила спеціальну діаграму, яка надає практичні рекомендації щодо запобігання осадженню. Це дозволяє іншим дослідникам використовувати її результати без необхідності проводити додаткові розрахунки.

Діаграма осадження літію (Li-plating diagram)

На відміну від попередніх досліджень, зосереджених на екстремальних умовах модель професора Лі охоплює широкий спектр режимів роботи.

«Ми вивели аналітичне рівняння, що зв'язує час початку осадження літію з параметрами роботи та характеристиками матеріалів, та представили відповідну діаграму», — йдеться у дослідженні.

Ці висновки допоможуть під час проектування як нових акумуляторних матеріалів, так і оптимальних протоколів заряджання.

Безпека та довговічність батарей – у фокусі

Надалі професор Лі планує удосконалити модель, враховуючи механічні фактори, такі як напруги в компонентах акумулятора, які можуть впливати на осадження літію.

«Фізично обґрунтовані рекомендації дозволяють визначити оптимальний режим зміни щільності струму під час заряджання, залежно від ступеня заряду та властивостей матеріалів, щоб уникнути осадження літію», — наголосила Лі.

Результати роботи опубліковані в журналі ACS Energy Letters.

На тлі зростання попиту на електромобілі, вдосконалення літій-іонних батарей стає все більш актуальним. Нещодавно американські вчені також представили метод візуалізації, що дозволяє зазирнути всередину батареї, що працює, і аналізувати її поведінку в реальному часі.