Аккумуляторы всегда умирают: лучшие умы планеты доказали причины

-
119
Аккумуляторы всегда умирают: лучшие умы планеты доказали причины

Не британские учёные, а известные и авторитетные химики Европы и США выступили авторами исчерпывающего международного исследования природы износа и последующей «смерти» аккумуляторов.

Они доказали, что неоднородность электродов становится причиной непредсказуемой деградации АКБ. Их выводы поддержали ведущие научные сообщества и образовательные учреждения. Это частично объясняет, почему некоторые потребительские электронные устройства (например, смартфоны и планшеты) разряжаются с неодинаковой скоростью.

Ниже мы раскроем подробности того, что выяснили исследователи Virginia Tech совместно с лучшими химиками Европы и Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США), а также ряда образовательных учреждений при поддержке Отдела материаловедения Национального научного фонда Франции (Division of Materials Research at the National Science Foundation).

Если вы интересуетесь миром электроники и хотите узнать исконные причины непредсказуемой «гибели» батареи в вашем мобильном гаджете или автомобиле, то рекомендуем этот материал.

Учёные узнали точные причины выхода из строя аккумулятора

Собралась за всю историю самая большая команда инженеров, химиков и лабораторных испытателей, чтобы раскрыть наиболее широкое понимание того, что творится с аккумуляторными электродами при их сильном износе. Ведь в этой области ещё множество неизученных «пробелов», без которых дальнейшее развитие отрасли сомнительно.

Фен Лин (Feng Lin) — доцент химии в Колледже Наук и член факультета Инновационного Института Макромолекул, возглавил усилия вместе с исследователями в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Университете Пердью и Европейском фонде синхротронного излучения во Франции. Подробности вы можете узнать из полной публикации в Advanced Energy Materials.

Сперва вы замечаете быстрый разряд телефона, затем внезапные отключения гаджета с достаточным уровнем энергии. Порой устройство долго держит заряд, но в самый неудобный момент садится за считанные часы. Если вы оптимизировали свой смартфон, отмели все иные причины проблем с аккумулятором, то остаётся одно — заменить батарею.

Если всё указывает на то, что аккумулятор постепенно умирает и выходит из строя, но непонятно, в чём причина, то Лин и его команда спешат утолить ваше любопытство. Это первый в мире макро-взгляд, дополняющий существующие микроисследования в литературе по литиевым элементам питания.

Истинная причина непредсказуемого износа и выхода из строя аккумуляторов

Они доказали, что одинакового «поведения» (а значит и состояния) электродов не существует. Да, вы можете держать сейчас в руках две батареи с одинаковым описанием, одинаковыми контактами, одного и того же размера, корпусом один-в-один, но электроды в них всегда будут отличаться — такова их особенность.

«Если бы существовал идеальный электрод, то каждая отдельная его частица всегда вела бы себя одинаково и предсказуемо», — заявил Лин.

«Но аккумуляторные электроды очень разнородны. У нас миллионы, если не миллиарды, совершенно отличающихся частиц. Нет способа предсказать, как будут вести себя эти частицы в одно и то же время».

Исследовательская группа в значительной степени опиралась на метод синхротронного рентгеновского излучения для получения результатов. Есть всего несколько американских синхротронных установок, которые представляют собой огромные сооружения.

Эти сооружения яйцевидной формы ускоряют электроны через кольцо почти на скорости света, затем специальное средство производит свет, называемый «синхротронным рентгеновским излучением», который можно использовать для более подробного изучения материалов, в том числе и батарей.

Как происходило исследование

Из Европейского центра синхротронного излучения в Гренобле (ESRF, Франция) пришли сведения в самом высоком разрешении за всё время изучения особенностей аккумуляторов. Хотя поддержку оказывали и даже предоставляли оборудование ещё и в американском аналогичном комплексе SLAC.

«Мы были взволнованы тем, что смогли изучить эти многочисленные частицы одновременно», — сказал Ичан Лю(Yijin Liu), ученый из SLAC. «В фокусе этой области — отображение отдельных активных частиц батареи».

Средствами синхротрона получены изображения при различных настройках. Операцию международного масштаба возглавили инженеры SLAC, в то время как исследователи из Пердью предоставили компьютерное моделирование.

Так что именно оказалось проблемой аккумуляторов?

Чтобы объяснить динамику внутри батареи нам, простым людям, Линприбёг к сравнению с едой. Представьте отдельные активные частицы батареи в виде отдельных рисовых зёрен в банке.

«Невозможно, чтобы каждое зерно риса было одинаковым с точки зрения формы и расстояния до соседа», — сказал Лин. «Чтобы сделать батарею лучше, вам нужно максимально улучшить вклад каждой отдельной частицы. Конечно, мы рады, что теперь мы установили химический состав электродов батареи в масштабах от атомного до мультичастиц».

Проблема аккумуляторов — неэффективность отдельных частиц. Это и было выявлено в исследовании. Но могут ли её решить разработчики батарей? Учёные пока этого не знают наверняка. Известно, что технологии или решения на текущий момент в природе нет.

Неужели это проблема, которую невозможно решить?

Мы имеем дело с тем, что аккумуляторы состоят из мириад частиц, которые ведут себя непредсказуемо. Твердый полимер помогает удерживать частицы вместе, углеродные добавки обеспечивают электрическое соединение, а затем активные частицы батареи накапливают и выделяют энергию.

Из-за неоднородности батарей сегодня существует общая проблема с батареями.

Вы заряжаете телефон, внутри которого аккумулятор заполняется «слоями»: верхний слой первым, а нижний — позже. Какую часть вы бы использовали, чтобы сообщить контроллеру, что зарядка завершена? Если выбрали нижний слой в качестве индикатора, то верхний слой будет перегружен и возникнет проблема безопасности (перегрев и взрыв).

Это заметно, например, когда заряд смартфона может упасть со 100% до 70% за короткий период времени просто из-за неправильной зарядки.

Лин теперь организовал лабораторию, которая сможет улучшить батареи на основе этих снимков, исследований и выводов. Полученные сведенияпомогут заложить теоретические основы для всей международной области изучения аккумуляторов, чтобы избавиться от большинства недостатков гетерогенных электродов.

RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...