Батареи электромобилей заработают "как бешеные": какую загадку разгадали ученые

Благодаря этому открытию удастся существенно продлить срок службы таких аккумуляторов, пишет interestingengineering.com. Исследователи из Университета Райса (США) обнаружили, что ключом к созданию сверхпрочных батарей большой емкости является не только физическая структура материала, но и его внутренняя химия.

Результаты исследования точно определяют причину появления «горячих точек», убивающих производительность, и предлагают новый путь развития в области питания самых разнообразных гаджетов – ведь сфера использования литий-ионных батарей простирается от мобильных телефонов до электромобилей.

Исследование решает известный парадокс в области хранения энергии. Хотя «толстые» электроды аккумуляторов отлично подходят для хранения большего количества энергии, они часто преждевременно выходят из строя и плохо заряжаются и разряжаются.

Наблюдение в реальном времени

Команда ученых с помощью рентгеновской визуализации высокого разрешения пронаблюдала за потоком энергии внутри аккумуляторов в режиме реального времени. Специалисты заметили, что в некоторых материалах реакция протекает неравномерно, создавая «горячие точки» вблизи поверхности, в то время как более глубокие области остаются практически нетронутыми.

Такая неравномерность приводит к внутреннему растрескиванию, более быстрой деградации и потере энергии.

Для сравнения использовали два популярных литий-ионных материала – фосфат лития-железа (LFP) и смесь оксида никеля-марганца-кобальта (NMC). 

Традиционный подход предполагал бы, что оба электрода должны вести себя похожим образом. Но электроды NMC показали гораздо более сбалансированную и стабильную работу. Таким образом, стало ясно, что термодинамические свойства материала определяют характер распространения реакции. Один из исследователей сравнил этот механизм с толстой губкой: «Представьте, что вы пытаетесь равномерно наполнить водой толстую губку, но вода проникает только в часть губки, оставляя остальную часть сухой, — в этом и заключается проблема толстых электродов».

Новый «дизайн» привычной батареи 

Чтобы применить свое открытие на практике, команда разработала новую метрику, названную «числом однородности реакции».

Это измерение дает инженерам возможность оценить, насколько хорошо материал будет вести себя в толстом электроде, с учетом и его физической структуры, и химических свойств. Отметим, что так называемые толстые электроды в литий-ионных батареях помогают улучшить емкость и энергетическую плотность, но в то же время и могут провоцировать проблемы с безопасностью и производительностью. Например, толстые электроды замедляют диффузию лития, а это снижает скорость зарядки и разрядки и увеличивает риск короткого замыкания и возгорания.

По словам ученых, их открытие пригодится в создании мощных и долговечных батарей нового поколения.

Также Фокус писал, что в США создали литиевую батарею, которая будет служить рекордно долго. Пилотный завод для производства новых батарей строит базирующаяся в Бостоне компания Pure Lithium.

Еще стало известно, что американские специалисты изобрели батарею будущего, которая работает в 4 раза быстрее обычной и не горит. В этом случае речь шла о литий-воздушных аккумуляторах.