Подробные рентгеновские снимки объяснили недостаточную эффективность литий-ионных батарей
Москва, 09:48, 04 Июн 2019, редакция FTimes.ru, автор Евгения Ковалева.
Исследователи из Университета Пердью, Стэнфорда и других учреждений получили подробные снимки электродов литий-ионных батарей со всеми повреждениями, возникающими при повторяющейся зарядке.
Производители могут использовать информацию для создания более долговечных, надежных аккумуляторов для смартфонов и автомобилей, сообщает sciencedaily.com. В транспортном секторе литий-ионным батареям пока не удалось полностью реализовать потенциал. Для улучшения зарядной емкости устройств и распространения электромобилей, производителям нужно вернуться к фундаментальной науке разрушения аккумуляторов.
Так поступила команда ученых из Университета Пердью, Стэнфорда, Виргинии и других учреждений. Результаты исследования представлены в журналах Advanced Energy Materials и Journal of the Mechanics and Physics of Solids. Специалисты использовали рентгеновскую установку, управляемую искусственным интеллектом. Она позволила одновременно автоматически сканировать тысячи частиц электродов литий-ионных батарей на атомном уровне. Алгоритм машинного обучения анализирует их в разных средах, соответствующих реальным условиям эксплуатации батарей.
«Основная работа была сосредоточена на уровне отдельных частиц и понимании всего аккумулятора. Но существует очевидный пробел – отличия масштабов», — сказал Кеджи Чжао.
При каждой зарядке ионы лития перемещаются между электродами, вызывая постепенное разрушение их частиц. В результате падает емкость. Поднять ее, сохраняя надежность, сложно, объяснил Чжао. Исследование может помочь в достижении компромисса. Оно показало, что разрушение частиц не происходит одновременно или на одном участке – одни распадаются быстрее других.
Получить изображения позволили синхротронные рентгеновские лучи. Специалисты из Виргинии разработали материалы и батареи для тестов – от таблеток до аккумуляторов для смартфонов. На рентгеновских снимках отобразилось межповерхностное нарушение сцепления – растрескивание частиц. Для понимания процесса команда Чжао разработала теоретические и вычислительные инструменты. Они показали, что частицы в зонах прохода ионов (сепараторы), используются чаще аналогов в нижней части электрода и быстрее распадаются. Повреждения увеличиваются с толщиной элемента и скоростью зарядки.
«Емкость не зависит от количества частиц. Важную роль играет принцип использования ионов лития», — объяснил Чжао.
Исследователи планируют продолжить работу и рассмотреть формирование повреждений в присутствующих на рынке батареях.
