Мы начинаем совместный проект «Новые источники энергии» портала Mendeleev.Info и Центра компетенций НТИ по технологиям новых и мобильных источников энергии при Институте проблем химической физики РАН. В этом проекте мы будем публиковать новости из области того, как химия помогает нам сделать новые прорывы в мобильности человека и в его энергетическом обеспечении. То есть рассказывать вам о новых научных статьях, которые посвящены литий-ионным и другим батареям, водородным и не только топливным элементам, и прочим источникам энергии.
Одна из основных проблем современных электромобилей – это запас хода. Обычно его хватает для поездок по городу, но для путешествий на дальние расстояния те 200-300 километров, на которые хватает заряда – катастрофически мало. И если бензиновый, дизельный, газовый или водородный автомобиль можно быстро заправить, то у электрического возникает проблема: время зарядки. Именно поэтому создание быстрозаряжающихся литий-ионных аккумуляторов стоит одной из первоочередных задач в среде электрохимиков.
Новый шаг к этому потенциальному прорыву сделала группа Чао-Яна Вана из Пенсильванского университета. Им, кажется удалось обойти главную проблему быстрого заряда – так называемое lithium plating, нарастание металлического лития на аноде во время быстрого поглощения энергии. Это катастрофически снижает срок службы батареи. В своей статье в журнале Joule, авторы заявляют, что им удалось решить эту проблему путем предварительного разогрева батареи перед зарядом. Оказалось, что если зарядить батарею при 60 градусах Цельсия, а затем разряжать ее при более низких рабочих температурах, нарастания лития не происходит.
«В дополнение к быстрой зарядке, эта концепция позволяет нам ограничить время выдержки батареи при повышенной температуре во время заряда, что обеспечивает очень длительный срок службы, – говорит старший автор Чао-Ян Ван. – Ключ заключается в реализации быстрого нагрева; в противном случае батарея будет оставаться при повышенных температурах слишком долго, что приведет к серьезной деградации литий-ионного аккумулятора».
Чтобы сократить время нагрева и нагреть всю батарею при одинаковой температуре, Ван и его коллеги оснастили аккумулятор конструкцией на основе саморазогревающейся никелевой фольги, которая повышает температуру до необходимой менее чем за тридцать секунд. Чтобы проверить работоспособность своей модели, они заряжали три графитовые электрохимические ячейки, предназначенные для гибридных электромобилей при 40, 49 и 60 градусах Цельсия, а также использовали контрольную батарею при 20 градусах Цельсия, применяя различные стратегии охлаждения для поддержания постоянной температуры заряда. Чтобы подтвердить, что нарастания не произошло, ученые позже полностью разряжали ячейки и разбирали их для анализа.
Оказалось, что при заряде при температурах 49 и 60 градусов Цельсия, нарастания лития не происходило, а лучшие характеристики показала батарея, заряжаемая при 60 градусах, поскольку она выдержала 1700 циклов быстрого заряда (контрольная батарея, которую заряжали при 20 градусах, выдержала всего 60 циклов).
Авторы отмечают, что их работа является полностью масштабируемой, поскольку они использовали ячейки, применяемые в реальных автомобилях, а никелевая фольга, которую они добавляли в устройство, увеличивает стоимость электрохимических элементов питания всего на 0.47%.
Текст: Алексей Паевский
Joule, Yang and Liu et al.: “Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries” DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.021
