Начиная с ноутбуков и смартфонов и заканчивая бурно развивающейся индустрией электромобилей, наш мир все больше зависит от аккумуляторов. Но, как известно любому, кто владеет ноутбуком более нескольких лет, батареи со временем теряют способность полностью заряжаться.
Ученые так и не поняли, почему это происходит, что затрудняет решение проблемы. Но согласно паре недавних исследований, проведенных исследователями из Министерства энергетики США, опубликованных в журнале Nature Communications, мы можем быть ближе, чем когда-либо, к батарее, которая не разлагается.
Работая специально с ионно-литиевыми батареями, обычно используемыми в бытовых устройствах из-за их малого веса и большой емкости, ученые сопоставили процесс зарядки и разрядки с точностью до миллиардных долей метра, чтобы лучше понять, как именно происходит деградация. Они обнаружили двух виновных в деградации батареи. Первое: микроскопические уязвимости в структуре материала батареи беспрепятственно направляют ионы лития через элемент, разрушая батарею, казалось бы, случайным образом, подобно тому, как ржавчина распространяется по несовершенствам стали. Во втором исследовании, сфокусированном на поиске наилучшего баланса между напряжением, емкостью накопителя и максимальными циклами зарядки, исследователи обнаружили не только схожие проблемы с ионным потоком, но и крошечные скопления наноразмерных кристаллов, оставленные химическими реакциями, которые вызывают поток ионов становиться еще более нерегулярным после каждого заряда. Работающие батареи при более высоких напряжениях также привел к большему количеству неровностей ионного пути и, следовательно, к более быстрому разрушению батареи.
Связанный контент
- Электромобили могут сделать города холоднее
Может показаться, что ученым следовало полностью понять аккумулятор - технологию, которая фактически была разработана с 1800 года - десятилетия назад. Но Huolin Xin, специалист по материалам из Brookhaven Lab и соавтор обоих исследований, говорит, что выигрышная комбинация новых технологий стала доступной совсем недавно.
«Многие современные инструменты для определения характеристик, такие как электронные микроскопы с поправкой на аберрации и новые синхротронные рентгеновские методы, не были доступны 10 лет назад», - говорит Синь. Но теперь, по его словам, они могут быть применены для изучения литий-ионных аккумуляторов.
Новые данные дают исследователям более четкое представление о том, как работают эти батареи, что может привести к более продолжительному сроку службы батарей в бытовой электронике в недалеком будущем. Но это также создает новые проблемы. Синь говорит, что максимизация площади поверхности важна для работы батареи, но большая площадь поверхности также может способствовать ухудшению качества.
«Чтобы предотвратить [разрушение поверхности], мы можем либо покрыть катод защитным слоем, - говорит Синь, - или скрыть эти поверхности, создавая границы внутри порошков микронного размера [внутри ячейки]».
Поиск наиболее эффективных и экономичных способов сделать это будет частью будущего этапа исследований.
Но Дэниел Абрахам, ученый, занимающийся исследованиями литий-ионных аккумуляторов в Аргоннской национальной лаборатории за пределами Чикаго, скептически относится к тому, что новые исследования представляют собой настоящий прорыв. Он говорит, что картографическая работа с подобными материалами проводилась в прошлом, в том числе его командой около 12 лет назад. Он также считает, что деградация батареи может быть не только результатом новых исследований.
«Они пытаются сделать корреляцию между ухудшением производительности и изображениями, которые они видят, что может быть неверно», - говорит Авраам. «Это частично история, но я не думаю, что это вся история».
Xin более оптимистичен в том, что работа приведет к улучшению аккумуляторов не только для будущих электромобилей, но и для портативной электроники.
«Литий-никель-марганцево-кобальт-оксидный катод был недавно определен как единственный коммерчески жизнеспособный материал для литий-ионных батарей следующего поколения», - говорит Синь. «Решая проблему деградации, мы можем уменьшить размер батарей следующего поколения и повысить надежность их зарядки и разрядки».
Тем не менее, два эксперта по аккумуляторам согласны с тем, что для многих важных будущих применений поиск способа сделать аккумуляторы, которые не изнашиваются так быстро, так же важен, как и создание аккумуляторов большей емкости.
Xin отмечает, что покупатели электромобилей обоснованно беспокоятся о неисправности батареи после истечения срока их гарантии. Абрахам отмечает, что, хотя для электромобилей вам, вероятно, понадобится всего лишь несколько лет работы от аккумулятора смартфона или планшета, большинство владельцев ищут аккумулятор, срок службы которого составляет от 10 до 15 лет. А для использования в электросети (для хранения избыточной энергии, вырабатываемой в непиковые часы), батареи должны работать 30 и более лет.
Это делает создание лучшей батареи для вашего ноутбука намного проще, чем решение проблем долговечности в других областях.
«Хорошо иметь более высокую плотность энергии, но если вы получаете высокую плотность энергии, но не долгую жизнь, то коммерческая жизнеспособность этих технологий ставится под сомнение», - говорит Абрахам. «Принимая во внимание, что если вы сможете доказать, что у вас есть новая технология, и она может длиться от двух до 30 лет, это сразу становится коммерчески жизнеспособным».
Хотя работа Синь и его коллег может помочь исследователям в создании аккумуляторов, которые не разряжаются так быстро, очевидно, что необходимы дальнейшие прорывы, прежде чем мы увидим перезаряжаемые аккумуляторы, которые работают в течение десятилетия или более без серьезного износа.
