Открытие, которое может привести к созданию более долговечных аккумуляторов для электромобилей

Аккумуляторы теряют емкость со временем, поэтому старые телефоны разряжаются быстрее. Однако это распространенное явление до конца не изучено. Международная группа исследователей под руководством профессора кафедры химической и биологической инженерии Майкла Тони из Университета Колорадо в Боулдере раскрыла основной механизм, лежащий в основе такой деградации аккумуляторов. Их открытие может помочь ученым разработать более совершенные аккумуляторы, которые позволят электромобилям ездить дальше и служить дольше, а также продвинуть технологии хранения энергии, которые ускорят переход к чистой энергии.

Инженеры годами работали над проектированием литий-ионных аккумуляторов без кобальта. Кобальт — дорогой редкий минерал, и процесс его добычи связан с серьезными проблемами в области экологии и прав человека. В Демократической Республике Конго, которая поставляет более половины мирового кобальта, многие шахтеры — дети.

До сих пор ученые пытались использовать другие элементы, такие как никель и магний, чтобы заменить кобальт в литий-ионных аккумуляторах. Но эти аккумуляторы имеют еще более высокие показатели саморазряда, когда внутренние химические реакции аккумулятора уменьшают запасенную энергию и ухудшают его емкость с течением времени. Из-за саморазряда срок службы большинства аккумуляторов электромобилей составляет от семи до десяти лет.

Майкл Тони, который также является сотрудником Института возобновляемой и устойчивой энергетики, и его команда приступили к исследованию причины саморазряда.

Результаты были опубликованы 12 сентября в журнале Science.

В типичной литий-ионной батарее ионы лития, несущие заряды, перемещаются с одной стороны батареи, называемой анодом, на другую сторону, называемую катодом, через среду, называемую электролитом. В ходе этого процесса поток этих заряженных ионов образует электрический ток, питающий электронные устройства. Зарядка аккумулятора меняет направление потока заряженных ионов и возвращает их к аноду.

Ранее ученые считали, что аккумуляторы саморазряжаются, поскольку не все ионы лития возвращаются к аноду при зарядке, что снижает количество заряженных ионов, доступных для формирования тока и обеспечения мощности.

Используя мощный рентгеновский аппарат Advanced Photon Source в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США в Иллинойсе, исследовательская группа обнаружила, что молекулы водорода из электролита батареи перемещаются к катоду и занимают места, с которыми обычно связываются ионы лития. В результате у ионов лития остается меньше мест для связывания на катоде, что ослабляет электрический ток и снижает емкость батареи.

Производители электромобилей сталкиваются с массой проблем, включая ограниченный запас хода, более высокие производственные затраты и более короткий срок службы аккумулятора по сравнению с обычными транспортными средствами. На рынке США типичный полностью электрический автомобиль может проехать около 250 миль на одной зарядке, что составляет около 60% от запаса хода бензинового автомобиля. Новое исследование имеет потенциал для решения всех этих проблем.

«Все потребители хотят автомобили с большим запасом хода. Некоторые из этих аккумуляторов с низким содержанием кобальта потенциально могут обеспечить более высокий запас хода, но нам также нужно убедиться, что они не развалятся за короткий промежуток времени», — сказал Майкл Тони, отметив, что сокращение содержания кобальта также может снизить затраты и решить проблемы прав человека и энергетической справедливости.

Лучше понимая механизм саморазряда, инженеры могут изучить несколько способов предотвращения этого процесса, например, покрыть катод специальным материалом, блокирующим молекулы водорода, или использовать другой электролит.

«Теперь, когда мы понимаем, что именно приводит к деградации аккумуляторов, мы можем информировать сообщество специалистов по химии аккумуляторов о том, что необходимо улучшить при проектировании аккумуляторов», — сказал Тони.

Источник