Вчені ідентифікували фантомних винуватців несправності батареї

Дослідники з Argonne провели комплексне дослідження м’яких шортів, явища, яке є першим кроком до постійного виходу з ладу акумулятора. Команда Argonne, яка розробляє матеріали для твердотільних батарей, пішла несподівано в обхід, щоб дослідити крихітні короткі замикання, відомі як м’які короткі замикання. Їхні висновки принесуть користь дослідникам акумуляторів у всьому світі.

Дослідники Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) пролили нове важливе світло на те, як виглядають перші ознаки несправності батареї. Їхнє дослідження, яке стосується захворювання під назвою «м’які шорти», надає дослідницькому співтовариству цінні знання та методи розробки кращих акумуляторів для електромобілів (EV).

Дослідження команди Argonne було зосереджено на повністю твердих батареях з анодами (негативними електродами), виготовленими з металевого літію. Багато хто вважає такі пристрої «святим Граалем» акумуляторних технологій. чому Оскільки металевий літій може зберігати велику кількість заряду в невеликому просторі. Це означає, що він може забезпечити набагато більший запас ходу електромобіля, ніж традиційні літій-іонні батареї, виготовлені з графітовими анодами.

Однак металевий літій створює труднощі в експлуатації, оскільки він може вступати в високу реакцію з рідкими електролітами в традиційних батареях. Електроліти — це матеріали, які переміщують заряджені частинки, відомі як іони, між двома електродами акумулятора, перетворюючи накопичену енергію в електрику.

Коли нормально функціонуюча батарея розряджається, іони течуть від анода через електроліт до катода (позитивного електрода). Одночасно електрони течуть від анода до зовнішнього пристрою — наприклад, телефону або електродвигуна — і потім повертаються до катода. Потік електронів – це те, що живить пристрій. Коли акумулятор заряджається, ці потоки змінюються.

Використання металевого літію має тенденцію порушувати цей процес. Під час заряджання літієві нитки можуть вирости з анода та проникнути в електроліт. Якщо ці вирости стають достатньо великими і простягаються аж до катода, вони створюють постійний «провід» між електродами. Зрештою, усі електрони в батареї проходять через цей дріт від одного електрода до іншого, не виходячи з батареї для живлення пристрою. Цей процес також припиняє потік іонів між електродами.

«Це називається внутрішнім коротким замиканням», — сказав Майкл Куніхен, постдокторант Аргонна та провідний дослідник у команді. «Акумулятор вийшов з ладу, і електрони більше не живлять ваш пристрій.

Встановлення металевих літієвих анодів у твердотільні батареї — іншими словами, батареї з твердими електролітами — потенційно може зменшити проблеми, пов’язані з ниткою розжарювання, зберігаючи при цьому переваги літію.

Несподіваний поворот до м’яких шортів

Команда Argonne розробляла новий твердий електроліт для акумуляторів електромобілів і помітила незвичайну поведінку.

«Коли ми працювали з нашими батареями в лабораторії, ми спостерігали дуже невеликі, дуже короткі коливання напруги», — сказав Куніхен. «Ми вирішили подивитися глибше».

Дослідники неодноразово заряджали та розряджали свої батареї протягом сотень годин, вимірюючи різні електричні параметри, наприклад напругу. Команда визначила, що батареї зазнавали м’яких коротких замикань, які є крихітними, тимчасовими короткими замиканнями.

При м’якому короткому літієві нитки ростуть від анода до катода. Але кількість зростання менша, ніж при постійному короткому замиканні. Хоча деякі електрони залишаються всередині батареї, інші можуть надходити до зовнішнього пристрою. Іонний потік між електродами може тривати. Усі ці потоки можуть сильно відрізнятися.

Команда працювала з обчислювальними експертами Argonne, щоб розробити моделі, які передбачають кількість потоків іонів і електронів під час м’яких замикань. Моделі враховують такі фактори, як розмір літієвих ниток і властивості електроліту.

Батареї з м’якими шортами можуть працювати годинами, днями або навіть тижнями. Але, як виявила команда Argonne, з часом кількість ниток зазвичай зростає, що зрештою призводить до виходу з ладу батареї.

«М’які шорти — це перший крок до постійного виходу з ладу батареї», — сказав Куніхен.

Динамічна поведінка

Подальше дослідження команди показало, що м’які шорти мають дуже динамічну поведінку. Вони часто утворюються, зникають і змінюються всього за мікросекунди або мілісекунди.

«Це важливий висновок для дослідників батарей», — сказав Куніхен. ​«При типовому тестуванні батареї в лабораторії дослідники можуть вимірювати напругу лише приблизно кожну хвилину. За цей час ви могли пропустити формування та загибель тисяч м’яких шортів. Вони схожі на маленьких привидів, які руйнують вашу батарею, не знаючи про це».

Найпоширеніша причина, чому зникають м’які шорти: спека. Коли електрони проходять через літієві нитки, утворюється тепло — подібне до нагрівання, яке може відбуватися в проводах побутових приладів. Тепло може швидко розплавити нитки, особливо якщо навколишній електроліт є теплоізоляційним.

М’які шорти можуть розчинятися, коли нитки вступають у реакцію з певними електролітами. Деякі з твердих електролітів, які досліджує команда Argonne, можуть розрізати невеликі нитки ще до того, як вони досягнуть катода, і викликати внутрішнє коротке замикання.

Допомога науковому співтовариству

Під час масштабного дослідження м’яких шортів команда Argonne розробила та продемонструвала кілька нових методів виявлення та аналізу цього явища. Наприклад, один із методів визначає, наскільки м’які короткі замикання впливають на опір батареї струму. Оскільки різні компоненти батареї можуть сприяти цьому опору, виділення внеску від м’яких шортів може допомогти дослідникам краще оцінити справність їхніх батарей.

Дослідження, нещодавно опубліковане в журналі Joule , містить список із майже 20 методів виявлення та аналізу. Приблизно третина цих методів походить від останніх досліджень команди. Автори дослідження зібрали інші методи з неофіційних, неопублікованих знань у дослідницькому співтоваристві.

«Ми зрозуміли, що в літературі немає статей, які б використовували більше двох із цих методів», — сказав Куніхен. «Щоб зробити список більш корисним для дослідників, ми включили інформацію про переваги та недоліки кожного методу. Оскільки софт-шорти такі динамічні, дослідникам корисно мати багато інструментів, щоб краще зрозуміти вплив софт-шортів».

Команда хотіла надати дослідникам у всьому світі інформацію про м’які шорти, щоб інформувати їхню роботу. Наприклад, методи, описані в статті, можуть допомогти розробити тверді електроліти, які стримують ріст літієвих ниток.

«Коли дослідники розуміють динаміку м’яких коротких замикань у своїх батареях, вони краще підготовлені для вдосконалення своїх матеріалів, щоб уникнути цих шляхів відмови», — сказав Куніган.