Ученые разработали литий-ионный аккумулятор, который заряжается при повышенной температуре, что значительно увеличивает скорость всего процесса. Важно отметить, что во время такой зарядки аккумулятор не деградирует. Новая технология может вскоре позволить полностью зарядить аккумулятор электромобиля всего за 10 минут.
Литий-ионные батареи оказали огромное влияние на современный мир благодаря своей способности хранить большое количество энергии в маленькой, компактной, многоразовой батарее. За вклад в развитие этой технологии трио ученых — Джон Б. Гуденаф, М. Стэнли Уиттингем и Акира Йошино — были удостоены в этом году Нобелевской премии (подробнее об этом читайте в статье Нобелевская премия 2019 по химии за разработку литий-ионных батарей).
Литий-ионные батареи отлично подходят для бытовой электроники, но в автомобильной технике они в настоящее время вызывают больше опасений, чем энтузиазма. Одним из основных препятствий для распространения электромобилей является время, необходимое для зарядки аккумулятора, особенно если сравнить его со временем, которое требуется для заправки бака автомобиля бензином или дизельным топливом.
Ключом к повышению привлекательности электромобилей как в коммерческом, так и в эксплуатационном плане является разработка батарей, которые можно быстро заряжать без существенной потери срока службы. Команда профессора Чао-Ян Ванга из Центра электрохимических двигателей при Университете штата Пенсильвания, похоже, достигла этой цели. Ученые описали свое исследование аккумулятора с ускоренной скоростью зарядки на страницах журнала Joule.
Возможно, скоро с помощью новой батареи, разработанной командой Ванга, владельцы электромобилей смогут полностью заряжать свои машины всего за 10 минут. Все это благодаря новой конструкции, которая нагревает батарею для увеличения скорости зарядки.
Полностью зарядить аккумулятор автомобиля за 10 минут
— Мы показали, что электромобиль можно зарядить за десять минут, обеспечив его энергией на расстояние от 200 до 300 миль (300 — 450 километров — ред.)», — сказал Ванг. — ‘Мы можем добиться этого, поддерживая срок службы батареи на уровне 2 500 циклов зарядки. Это эквивалентно примерно полумиллиону миль пути (около 800 000 километров — ред.)», — добавил он.
Быстрая зарядка литий-ионных батарей стала возможной уже некоторое время назад. Однако проблема заключается в том, что при быстрой зарядке они так же быстро разрушаются. Все это происходит благодаря осаждению металлического лития на аноде. Во время быстрой зарядки ионы лития, перемещающиеся от положительного электрода к отрицательному, образуют на поверхности отрицательного электрода бляшкообразный осадок. Это приводит к снижению емкости элемента, а также может вызвать скачки напряжения и последующий выход батареи из строя.
Батареи заряжаются и разряжаются при одной и той же температуре. Ученые обнаружили, что проблему осаждения лития можно решить, заряжая аккумулятор при более высоких температурах, примерно до 60 градусов Цельсия. Однако нагрев батареи оказывает на нее пагубное воздействие, сокращая срок ее службы. В ходе серии экспериментов ученые обнаружили, что их разработка при нагревании в течение не более 10 минут и последующем быстром охлаждении до температуры окружающей среды не разрушается. Это позволило решить проблему осаждения лития и сокращения срока службы батареи.
Литий-ионные батареи нового поколения
В ходе испытаний исследователи использовали имеющиеся в продаже промышленные батареи. Они оснастили их структурой из никелевой фольги с толщиной, исчисляемой микрометрами. Это позволило нагреть электроды менее чем за 30 секунд, что создает условия для быстрого перемещения ионов к отрицательному электроду без осаждения лития на его поверхности.
Затем они проверили, как работали клетки, когда их заряжали при температуре 40, 49 и 60 градусов Цельсия. Они сравнили его с контрольным аккумулятором, заряженным при температуре 20 градусов Цельсия. Они обнаружили, что при температуре 20 градусов Цельсия батарея выдерживает быструю зарядку в течение всего 60 циклов, после чего происходит значительное снижение производительности. Наилучшие результаты были достигнуты во время быстрой зарядки при температуре 60 градусов Цельсия. Заряженный таким образом аккумулятор может выдержать 2 500 циклов зарядки без ухудшения характеристик. По расчетам исследователей, это примерно 14 лет нормальной эксплуатации автомобиля или около 800 000 пройденных километров.
При этом важно быстро охладить батарею. Как признал Ванг, для этого можно использовать системы охлаждения автомобилей. Уже сейчас температура остывает с 60 градусов до примерно 25 градусов. сильно влияет на время работы от аккумулятора.
— До сих пор было распространено мнение, что литий-ионные батареи нельзя эксплуатировать при высоких температурах из-за ускорения побочных реакций. В отличие от этого, наше исследование показывает, что преимущества отказа от покрытия литиевых электродов при зарядке при повышенных температурах с ограниченным временем воздействия значительно перевешивают негативные последствия, связанные с усилением побочных реакций, пояснил Ванг.
Исследователи утверждают, что технология полностью масштабируема. Никелевая фольга увеличивает стоимость каждого элемента всего на 0,47 процента, и теперь команда исследователей будет стремиться разработать аккумулятор, который можно будет заряжать в течение пяти минут без деградации.
Источник: Университет штата Пенсильвания, фото: Лаборатория Чао-Ян Ванга, штат Пенсильвания
