По словам исследователей из Стэнфордского университета и Стэнфордского института материалов, результаты ставят под сомнение преобладающее мнение о том, что «перезарядка» аккумуляторов всегда сложнее для электродов аккумуляторов, чем более медленная зарядка. Энергетические науки (SIMES) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США.Они также предполагают, что ученые смогут модифицировать электроды или изменить способ зарядки батарей, чтобы обеспечить более равномерную зарядку и разрядку и продлить срок службы батарей.«Мелкие детали того, что происходит с электродом во время зарядки и разрядки, — это лишь один из многих факторов, определяющих срок службы батареи, но до этого исследования он не понимался должным образом», — сказал Уильям Чуэ из SIMES, доцент кафедры Стэнфордский факультет материаловедения и инженерии и старший автор исследования. «Мы нашли новый способ думать о деградации батареи».
По его словам, результаты могут быть непосредственно применены ко многим оксидным и графитовым электродам, используемым в современных литий-ионных батареях, а также примерно в половине из них, находящихся в стадии разработки.Его команда описала исследование 14 сентября 2014 года в Natural Materials. В команду вошли сотрудники из Массачусетского технологического института, Сандийской национальной лаборатории, Американского технологического института Samsung и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.Наблюдение за ионами в срезах батареи
Одним из важных источников износа аккумулятора является набухание и сжатие отрицательного и положительного электродов, поскольку они поглощают и высвобождают ионы из электролита во время зарядки и разрядки.Для этого исследования ученые рассмотрели положительный электрод, состоящий из миллиардов наночастиц фосфата лития-железа. Если большинство или все эти частицы активно участвуют в зарядке и разряде, они будут поглощать и высвобождать ионы более мягко и равномерно.
Но если только небольшой процент частиц поглощает все ионы, они с большей вероятностью треснут и испортятся, что ухудшит производительность батареи.Предыдущие исследования дали противоречивые взгляды на то, как ведут себя наночастицы. Для дальнейшего исследования исследователи создали небольшие батарейки типа «таблетка», заряжали их разными уровнями тока в течение различных периодов времени, быстро разбирали их и промывали компоненты, чтобы остановить процесс заряда / разряда.
Затем они разрезали электрод на очень тонкие срезы и отнесли их в лабораторию Беркли для исследования с помощью интенсивного рентгеновского излучения от синхротрона с усовершенствованным источником света, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США.Новые сведения о более быстрой разрядке«Мы смогли одновременно изучить тысячи электродных наночастиц и сделать их снимки на разных этапах зарядки и разрядки», — сказал аспирант Стэнфорда Иян Ли, ведущий автор отчета. «Это первое исследование, в котором это сделано всесторонне при различных условиях зарядки и разрядки».Анализируя данные с помощью сложной модели, разработанной в Массачусетском технологическом институте, исследователи обнаружили, что лишь небольшой процент наночастиц поглощает и высвобождает ионы во время зарядки, даже если это происходит очень быстро.
Но когда батареи разряжаются, произошла интересная вещь: по мере того, как скорость разряда превышала определенный порог, все больше и больше частиц начинали одновременно поглощать ионы, переходя в более однородный и менее опасный режим. Это говорит о том, что ученые могут настроить материал электрода или процесс, чтобы повысить скорость зарядки и разрядки при сохранении длительного срока службы батареи.Следующим шагом, по словам Ли, является выполнение электродов батареи от сотен до тысяч циклов, чтобы имитировать реальную производительность. Ученые также надеются сделать снимки аккумулятора во время его зарядки и разрядки, вместо того, чтобы останавливать процесс и разбирать его.
Это должно дать более реалистичное представление и может быть выполнено на синхротронах, таких как ALS или Stanford Synchrotron Radiation Lightsource SLAC, пользовательское учреждение Министерства энергетики США. Ли сказал, что группа также работает с промышленностью, чтобы увидеть, как эти результаты могут быть применены в секторах транспорта и бытовой электроники.
Финансирование исследований поступило от Глобальной программы исследований передового технологического института Samsung; Школа инженерии и Институт энергетики Прекурта в Стэнфорде; Программа Samsung-MIT по проектированию материалов в энергетике; и Министерство энергетики США.