Міжнародна група дослідників під керівництвом Майкла Ф. Тоні, професора хімічного та біологічного машинобудування в Університеті Колорадо в Боулдері, визначила основну причину втрати ємності акумулятора з плином часу, також відому як саморозряд, за допомогою потужного рентгенівського випромінювання. Результати дослідження були опубліковані в журналі Science.
Загальновідомо, що акумулятори з часом втрачають ємність. Чи то в мобільному телефоні, чи то в електромобілі, акумуляторні батареї з часом втрачають здатність утримувати заряд і їх потрібно замінити.
Навіть після десятиліть досвіду проектування і виробництва різних типів батарей людям ще належить дізнатися, що викликало це явище.
“Наявність більш якісної батареї дуже важлива для переходу нашої енергетичної інфраструктури від викопного палива до більш поновлюваних джерел енергії”, – сказав Тоні у своїй заяві.
Як науковий співробітник Інституту відновлюваної та сталої енергетики, Тоні очолював дослідницьку групу, яка вивчала цю проблему.
Що таке саморозряд
У літій-іонній батареї, найбільш широко використовуваній батареї у світі, іони літію переміщаються від анода, позитивного полюса, до катода, негативного полюса, через розчин електроліту. Це утворює струм, який живить пристрої від телефонів до ноутбуків і навіть електромобілів.
Іони літію повертаються на анод під час процесу заряджання, і цикл може повторюватися. Однак вважалося, що не всі іони літію повертаються на анод, що з часом призводить до падіння ємності або саморозряду.
Оскільки використання рідкоземельного мінералу кобальту в батареях спричинило занепокоєння щодо прав людини та екологічних витрат, дослідники працювали над розробкою батарей, у яких використовується не кобальт, а нікель і магній. Однак ці батареї ще більш схильні до саморозряду.
Команда Тоні використовувала Advanced Photon Source (APS), потужний рентгенівський апарат в Аргоннській національній лабораторії в Іллінойсі, щоб визначити причину саморозряду.
“APS – це потужне і велике (окружність 1,1 км) джерело за межами Чикаго, яке забезпечує дуже інтенсивні рентгенівські промені”, – розповів Тоні в електронному листі Interesting Engineering.
Основна причина саморозряду
Команда виявила, що атоми водню утворюються через реакцію між електролітом і катодом після повного заряджання акумулятора. Ці атоми зв’язуються з катодом, де літій в іншому випадку зв’язувався б під час розряду.
Це не дає змоги літію досягти катода, тим самим знижуючи електричний струм, що генерується, і загальну ємність акумулятора, ідеться у пресрелізі. Тепер, коли дослідники розуміють, що викликає саморозряд, вони можуть спрямувати зусилля на його запобігання.
Покриття катода спеціальним матеріалом, який блокує тільки атоми водню, може бути варіантом.
“Зазвичай для покриття катода можна використовувати захисні оксиди, такі як оксид алюмінію (Al2O3)”, – додав Тоні в електронному листі. “Це не дорого, і існують процеси нанесення покриття, але ми не впевнені, як довго покриття збережеться”.
Проте, дослідження відкриває нові горизонти і може допомогти в розробці більш досконалих акумуляторів. Оскільки світ прагне до поступової відмови від викопного палива, акумулятори, які не втрачають зарядну ємність протягом свого терміну служби, матимуть вирішальне значення.
Це сприятиме розвитку рішень зі зберігання відновлюваної енергії та зниженню вартості зберігання надлишкової енергії. Для електромобілів це означатиме відсутність зниження дальності або необхідності заміни акумуляторної батареї навіть після багатьох років використання автомобіля, тим самим збільшуючи їхнє прийняття.
