От лаптопи до смартфони до развиващата се индустрия на електрически автомобили, нашият свят все повече разчита на акумулаторни батерии. Но както всеки, който притежава лаптоп повече от няколко години, батериите в крайна сметка губят способността си да поддържат пълно зареждане.
Учените никога не са разбрали защо това се случва, което направи труден проблем за отстраняване. Според двойка на скорошни проучвания на изследователи от Министерството на енергетиката на САЩ, публикувани в списанието Nature Communications, може да сме по-близо от всякога до батерия, която не се разгражда.
Работейки специално с литиево-йонни батерии, които обикновено се използват в потребителските устройства поради лекото им тегло и големия капацитет, учените са картографирали процеса на зареждане и разреждане до милиарди метра, за да разберат по-точно как работи разграждането. Те откриха двама виновници в деградацията на батерията. Първият: микроскопичните уязвимости в структурата на материала на батерията направляват литиевите йони случайно през клетката, ерозирайки акумулатора по привидно случайни начини, подобно на ръждата, разпространяваща се в несъвършенствата в стоманата. Във второто проучване, фокусирано върху намирането на най-добрия баланс между напрежението, капацитета на съхранение и максималните цикли на зареждане, изследователите не само откриха подобни проблеми с йонния поток, но и малки натрупвания от наномащабни кристали, оставени след химични реакции, които причиняват поток от йони да стане още по-неравномерен след всяко зареждане. Работещи батерии при по-високо напрежение също доведе до повече нередности на йонния път и по този начин по-бързо влошаваща се батерия.
Свързано съдържание
- Електрическите автомобили могат да направят градовете по-хладни
Може да изглежда, че учените е трябвало да са разбрали напълно батерията - технология, която ефективно съществува от 1800 г. - преди десетилетия. Но Хуолин Син, учен по материали по лаборатория в Брукхейвен и съавтор на двете проучвания, казва, че печелившата комбинация от нови технологии едва наскоро е била налична.
„Много съвременни инструменти за характеризиране, като електронно-микроскопи с корекция на аберацията и нови рентгенови техники на синхротрон, не бяха налични преди 10 години“, казва Син. Но сега, казва той, те могат да бъдат приложени за изследване на литиево-йонни батерии.
Новите данни дават на изследователите по-ясна картина как работят тези батерии, което би могло да доведе до по-дълготрайни батерии в потребителската електроника в не твърде далечното бъдеще. Но тя също така представя нови проблеми. Син казва, че увеличаването на повърхността е важно за производителността на батерията, но по-голямата повърхност вероятно също улеснява деградацията.
"За да предотвратим [разграждане на повърхността], можем или да покрием катода със защитен слой", казва Син, "или да скрием тези повърхности, като създадем граници в праховете с размер на микрона [вътре в клетката]."
Намирането на най-ефективните, рентабилни начини за това ще бъде част от бъдеща фаза на изследването.
Но Даниел Абрахам, учен, фокусиран върху изследвания на литиево-йонни батерии в Националната лаборатория Аргон извън Чикаго, е скептичен, че новите изследвания представляват истински пробив. Той казва, че работата по картографирането с подобни материали е била правена в миналото, включително от екипа му преди около 12 години. Той също така вярва, че от деградацията на батерията може да има повече от това, което откриха новите проучвания.
„Те се опитват да направят връзка между влошаване на производителността и картините, които виждат, което може да не е правилно“, казва Авраам. „Това е частично историята, но не мисля, че това е цялата история.“
Xin, е по-оптимистичен, че работата ще доведе до подобрения на батерията, не само за бъдещите електромобили, но и за преносимата електроника.
„Литий-никел-манган-кобалт-оксид катод наскоро бе идентифициран като единственият търговски жизнеспособен материал за литий-йонни батерии от ново поколение“, казва Син. „Решавайки проблема му с разграждането, можем да направим по-малки батерии и да ги заредим и разреждаме по-надеждно.“
Двамата експерти по батерии обаче са съгласни, че за много важни бъдещи приложения намирането на начин да се правят батерии, които не се износват толкова бързо, е също толкова важно, колкото създаването на батерии с по-голям капацитет.
Xin посочва, че купувачите на електрически автомобили оправдано се притесняват от повреда на батерията след изтичане на гаранцията им. Ейбрахам отбелязва, че макар да имате нужда само от няколко години производителност от вашия смартфон или таблет, за електрически превозни средства, повечето собственици търсят батерия, която издържа 10 до 15 години. А за използване в електрическата мрежа (за съхраняване на излишната енергия, произведена в извън пиковите часове), батериите трябва да издържат 30 или повече години.
Това прави изграждането на по-добра батерия за вашия лаптоп много по-лесно от решаването на проблеми с дълголетието в други области.
„Добре е да имате по-висока енергийна плътност, но ако получите висока енергийна плътност, но не и дълъг живот, тогава търговската жизнеспособност на тези технологии се поставя под въпрос“, казва Авраам. „Като има предвид, че ако можете да покажете, че имате нова технология и тя може да продължи между две и 30 години, това става веднага осъществимо в търговската мрежа.“
Въпреки че работата на Син и неговите колеги може да помогне на изследователите да създадат батерии, които не се разграждат толкова бързо, ясно е, че ще са необходими допълнителни пробиви, преди да видим акумулаторни батерии, които да издържат десетилетие или повече без сериозно износване.
