Первая зарядка литий-ионной батареи имеет большее значение, чем кажется. Первая зарядка аккумуляторов необычно высокими токами увеличила их средний срок службы на 50%, а также сократила первоначальное время зарядки с 10 часов до всего лишь 20 минут.

Исследование было проведено группой Центра аккумуляторных батарей SLAC-Stanford Battery Center под руководством профессора Will Chueh в сотрудничестве с исследователями из Toyota Research Institute (TRI), Массачусетского технологического института и Вашингтонского университета.

«Мягкий слой», который имеет решающее значение для производительности аккумулятора

Чтобы понять, что происходит во время первоначального цикла работы батареи, команда исследователей создает пакетные элементы, где положительные и отрицательные электроды окружены раствором электролита, в котором ионы лития свободно перемещаются.

Когда батарея заряжается, ионы лития текут в отрицательный электрод для хранения. Когда батарея разряжается, они текут обратно и перемещаются в положительный электрод; это запускает поток электронов для питания устройств, от электромобилей до электросети.

Положительный электрод новой батареи на 100% заполнен литием. Каждый раз, когда батарея проходит цикл заряда-разряда, часть лития дезактивируется. Минимизация этих потерь продлевает срок службы батареи.

Как ни странно, один из способов минимизировать общую потерю лития – это намеренно потерять большой процент первоначального запаса лития во время первой зарядки батареи.

Потерянный литий становится частью мягкого слоя, называемого твердоэлектролитной интерфазой, или SEI, который образуется на поверхности отрицательного электрода во время первой зарядки. В свою очередь, SEI защищает отрицательный электрод от побочных реакций, которые ускоряют потерю лития и со временем приводят к более быстрому ухудшению состояния батареи. Правильное определение SEI настолько важно, что первая зарядка известна как формовочный заряд.

Формирование – это последний этап производственного процесса, поэтому, если он не удается, все усилия и ценность, вложенные в батарею до этого момента, оказываются напрасными.

Xiao Cui, Applied Energy Division, SLAC National Accelerator Laboratory

Высокий ток зарядки повышает производительность аккумулятора

Эксперименты подтвердили, что зарядка высокими токами имеет огромное влияние, увеличивая срок службы средней тестовой батареи на 50%. Она также дезактивировала гораздо больший процент лития изначально – около 30% по сравнению с 9% при предыдущих методах – но это оказалось положительным эффектом.

Удаление большего количества ионов лития в начале немного похоже на то, как если бы вы вычерпывали воду из полного ведра перед тем, как нести его. Дополнительное свободное пространство в ведре уменьшает количество воды, выплескивающейся по пути. Аналогичным образом, дезактивация большего количества ионов лития во время формирования освобождает свободное пространство в положительном электроде и позволяет электроду циклироваться более эффективно, улучшая последующую производительность.

Xiao Cui, Applied Energy Division, SLAC National Accelerator Laboratory