Сьогодні літій-іонні акумулятори заряджаються постійним струмом за алгоритмом CC-CV, за яким в акумулятор «вливають» максимум енергії приблизно до 80% його ємності, а потім з 80 до 100% струм плавно зменшується. Але покращений протокол заряджання PC на базі подачі струму імпульсами може допомогти літій-іонним батареям працювати набагато довше. Міжнародна команда продемонструвала, що заряджання високочастотним імпульсним струмом зменшує наслідки старіння.
Дослідження проводилося під керівництвом Філіпа Адельгельма (HZB та Університету Гумбольдта) у співпраці з командами з Берлінського технічного університету та Ольборгського університету в Данії. Особливо показовими були експерименти на рентгенівському джерелі BESSY II.
Літій-іонні акумулятори, як будь-які акумулятори, втрачають невелику частину своєї ємності з кожним циклом заряджання. Кращі комерційні літій-іонні акумулятори з електродами з так званого NMC532 (молекулярна формула: LiNi 0,5 Mn 0,3 Co 0,2 O 2 ) і графіту мають термін служби до восьми років.
Акумулятори зазвичай заряджаються постійним струмом. Але чи дійсно це найсприятливіший метод? Нове дослідження, проведене групою професора Філіпа Адельгельма з HZB та Берлінського університету імені Гумбольдта, однозначно відповідає на це запитання – ні.
Частина випробувань була проведена в Ольборзькому університеті. Акумулятори заряджалися або звичайним постійним струмом (CC), або за новим протоколом зарядки імпульсним струмом (PC). Аналіз виявив чіткі відмінності після кількох циклів заряджання: у зразках CC розділ твердого електроліту (SEI) на аноді був значно товщим, що погіршувало ємність. Команда також виявила більше тріщин у структурі NMC532 та графітових електродів, що також сприяло втраті ємності. На противагу цьому, PC-зарядка призвела до тоншого шару SEI та меншої кількості структурних змін у матеріалах електродів.
Дослідник HZB доктор Яолінь Сюй потім очолив дослідження літій-іонних елементів в Університеті Гумбольдта та BESSY II за допомогою комбінаційної спектроскопії та дилатометрії, а також рентгенівської абсорбційної спектроскопії, щоб проаналізувати, що відбувається під час заряджання за різними протоколами. Додаткові експерименти проводилися на синхротроні PETRA III.
«Імпульсна зарядка струмом сприяє рівномірному розподілу іонів літію в графіті і, таким чином, зменшує механічну напругу та розтріскування частинок графіту. Це покращує структурну стабільність графітового анода», — підсумовує він. Імпульсна зарядка також пригнічує структурні зміни катодних матеріалів NMC532 з меншою зміною довжини зв’язку Ni-O.
Частота імпульсного струму має значення: високочастотні протоколи заряджання з прямокутним струмом найбільше подовжують термін служби комерційних батарей. При цьому в дослідженні досягається подвоєний термін служби батареї зі збереженням ємності 80%.
Співавтор професор доктор Юлія Коваль, експерт з технологій зберігання електричної енергії в Берлінському технічному університеті, підкреслює: «Імпульсна зарядка може принести багато переваг з точки зору стабільності електродних матеріалів і інтерфейсів і значно продовжити термін служби акумуляторів».
