Новое открытие может привести к созданию долговечных аккумуляторов для электромобилей

Международная группа исследователей под руководством Майкла Ф. Тони, профессора химического и биологического машиностроения в Университете Колорадо в Боулдере, определила основную причину потери емкости аккумулятора с течением времени, также известную как саморазряд, с помощью мощного рентгеновского излучения. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

Общеизвестно, что аккумуляторы со временем теряют емкость. Будь то в мобильном телефоне или электромобиле, аккумуляторные батареи со временем теряют способность удерживать заряд и должны быть заменены.

Даже после десятилетий опыта проектирования и производства различных типов батарей людям еще предстоит узнать, что вызвало это явление.

"Наличие более качественной батареи очень важно для перехода нашей энергетической инфраструктуры от ископаемого топлива к более возобновляемым источникам энергии", - сказал Тони в своем заявлении.

Как научный сотрудник Института возобновляемой и устойчивой энергетики, Тони возглавлял исследовательскую группу, которая изучала эту проблему.

Что такое саморазряд

В литий-ионной батарее, наиболее широко используемой батарее в мире, ионы лития перемещаются от анода, положительного полюса, к катоду, отрицательному полюсу, через раствор электролита. Это образует ток, который питает устройства от телефонов до ноутбуков и даже электромобилей.

Ионы лития возвращаются на анод во время процесса зарядки, и цикл может повторяться. Однако считалось, что не все ионы лития возвращаются на анод, что со временем приводит к падению емкости или саморазряду.

Поскольку использование редкоземельного минерала кобальта в батареях вызвало обеспокоенность по поводу прав человека и экологических издержек, исследователи работали над разработкой батарей, в которых используется не кобальт, а никель и магний. Однако эти батареи еще более склонны к саморазряду.

Команда Тони использовала Advanced Photon Source (APS), мощный рентгеновский аппарат в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, чтобы определить причину саморазряда.

"APS - это мощный и большой (окружность 1,1 км) источник за пределами Чикаго, который обеспечивает очень интенсивные рентгеновские лучи", - рассказал Тони в электронном письме Interesting Engineering.

Основная причина саморазряда

Команда обнаружила, что атомы водорода образуются из-за реакции между электролитом и катодом после полной зарядки аккумулятора. Эти атомы связываются с катодом, где литий в противном случае связывался бы во время разряда.

Это не позволяет литию достичь катода, тем самым снижая генерируемый электрический ток и общую емкость аккумулятора, говорится в пресс-релизе. Теперь, когда исследователи понимают, что вызывает саморазряд, они могут направить усилия на его предотвращение.

Покрытие катода специальным материалом, который блокирует только атомы водорода, может быть вариантом.

"Обычно для покрытия катода можно использовать защитные оксиды, такие как оксид алюминия (Al2O3)", - добавил Тони в электронном письме. "Это не дорого, и существуют процессы нанесения покрытия, но мы не уверены, как долго покрытие сохранится".

Тем не менее, исследование открывает новые горизонты и может помочь в разработке более совершенных аккумуляторов. Поскольку мир стремится к постепенному отказу от ископаемого топлива, аккумуляторы, которые не теряют зарядную емкость в течение своего срока службы, будут иметь решающее значение.

Это будет способствовать развитию решений по хранению возобновляемой энергии и снижению стоимости хранения избыточной энергии. Для электромобилей это будет означать отсутствие снижения дальности или необходимости замены аккумуляторной батареи даже после многих лет использования автомобиля, тем самым увеличивая их принятие.