В то время как бензобаки можно заполнить за считанные минуты, зарядка аккумулятора электромобиля занимает гораздо больше времени. Чтобы уравнять правила игры и сделать электромобили более привлекательными, ученые работают над технологиями быстрой зарядки.
«Быстрая зарядка очень важна для электромобилей», – сказал ученый по батареям Дэниел Абрахам из США.S. Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики (DOE). ?"Мы хотели бы заряжать аккумулятор электромобиля менее чем за 15 минут, а если возможно, даже быстрее."
"Точно наблюдая, как литий распределяется в электроде, мы получаем возможность точно определять неоднородный способ старения батареи."- Дэниел Абрахам, специалист по аргоннским батареям
Основная проблема с быстрой зарядкой возникает во время транспортировки ионов лития от положительного катода к отрицательному аноду. Если аккумулятор заряжается медленно, ионы лития, извлеченные из катода, постепенно вставляются между плоскостями атомов углерода, составляющих графитовый анод – процесс, известный как интеркаляция лития.
Но когда этот процесс ускоряется, литий может в конечном итоге осаждаться на поверхности графита в виде металла, что называется литиевым покрытием. ?«Когда это происходит, производительность батареи резко ухудшается, потому что покрытый литий не может перемещаться с одного электрода на другой», – сказал Абрахам.
По словам Абрахама, этот металлический литий будет химически восстанавливать электролит батареи, вызывая образование межфазной границы твердого электролита, которая связывает ионы лития, поэтому они не могут перемещаться между электродами.
В результате со временем в аккумуляторе может храниться меньше энергии.
Чтобы изучить движение ионов лития внутри батареи, Абрахам сотрудничал с докторантом Коффи Пьером Яо и аргоннским рентгенологом Джоном Окасински в Лаборатории Advanced Photon Source, учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики США. Там Окасински, по сути, создал двухмерное изображение батареи, используя рентгеновские лучи для изображения каждой фазы литированного графита в аноде.
Получив эту точку зрения, исследователи смогли точно определить количество лития в различных областях анода во время зарядки и разрядки аккумулятора.
В ходе исследования ученые установили, что литий накапливается в регионах ближе к разделителю батареи в условиях быстрой зарядки.
«Вы могли ожидать этого только из здравого смысла», – объяснил Авраам. ?«Но, точно наблюдая за тем, как литий распределяется внутри электрода, мы получаем возможность точно определять неоднородный способ старения батареи."
Чтобы выборочно увидеть определенную область в центре батареи, исследователи использовали метод, называемый энергодисперсионной дифракцией рентгеновских лучей.
Вместо того, чтобы изменять угол луча для достижения определенных областей интереса, исследователи меняли длину волны падающего света.
Используя рентгеновские лучи, ученые Аргонны смогли определить кристаллические структуры, присутствующие в слоях графита. Поскольку графит является кристаллическим материалом, введение лития заставляет решетку графита расширяться до различной степени. По словам Окасинского, это набухание слоев заметно по разнице в дифракционных пиках, а по интенсивности этих пиков можно судить о содержании лития в графите.
В то время как это исследование сосредоточено на небольших батарейках типа «таблетка», Окасински сказал, что в будущих исследованиях можно будет изучить поведение лития в более крупных батарейках карманного типа, таких как те, что используются в смартфонах и электромобилях.