Сегодня литиево-ионные аккумуляторы заряжаются постоянным током по алгоритму CC-CV, по которому в аккумулятор «вливают» максимум энергии примерно до 80% его емкости, а затем с 80 до 100% ток плавно уменьшается. Но улучшенный протокол зарядки PC на базе подачи тока импульсами может помочь литий-ионным батареям работать гораздо дольше. Международная команда продемонстрировала, что зарядка высокочастотным импульсным током уменьшает последствия старения.
Исследование проводилось под руководством Филиппа Адельгельма (HZB и Университета Гумбольдта) в сотрудничестве с командами из Берлинского технического и Ольборгского университета в Дании. Особенно показательны эксперименты на рентгеновском источнике BESSY II.
Литий-ионные аккумуляторы, как и любые аккумуляторы, теряют небольшую часть своей емкости с каждым циклом зарядки. Лучшие коммерческие литий-ионные аккумуляторы с электродами так называемого NMC532 (молекулярная формула: LiNi 0,5 Mn 0,3 Co 0,2 O 2 ) и графита имеют срок службы до восьми лет.
Аккумуляторы обычно заряжаются постоянным током. Но действительно ли это самый благоприятный метод? Новое исследование, проведенное группой профессора Филиппа Адельгельма из HZB и Берлинского университета имени Гумбольдта, однозначно отвечает на этот вопрос – нет.
Часть испытаний была проведена в Ольборгском университете. Аккумуляторы заряжались либо обычным постоянным током (CC), либо по новому протоколу зарядки импульсным током (PC). Анализ выявил четкие отличия после нескольких циклов зарядки: в образцах CC раздел твердого электролита (SEI) на аноде был значительно толще, что ухудшало емкость. Команда также обнаружила больше трещин в структуре NMC532 и графитовых электродов, что также способствовало потере емкости. В противоположность этому PC-зарядка привела к более тонкому слою SEI и меньшему количеству структурных изменений в материалах электродов.
Исследователь HZB доктор Яолинь Сюй затем возглавил исследование литий-ионных элементов в Университете Гумбольдта и BESSY II с помощью комбинационной спектроскопии и дилатометрии, а также рентгеновской абсорбционной спектроскопии, чтобы проанализировать, что происходит при зарядке по разным протоколам. Дополнительные опыты проводились на синхротроне PETRA III.
«Импульсная зарядка током способствует равномерному распределению ионов лития в графите и, таким образом, уменьшает механическое напряжение и растрескивание частиц графита. Это улучшает структурную стабильность графитового анода», — заключает он. Импульсная зарядка также ингибирует структурные изменения катодных материалов NMC532 с меньшим изменением длины связи Ni-O.
Частота импульсного тока имеет значение: высокочастотные протоколы зарядки с прямоугольным током более удлиняют срок службы коммерческих батарей. При этом в исследовании достигается удвоенный срок службы батареи с сохранением емкости 80%.
Соавтор профессор доктор Юлия Коваль, эксперт по технологиям хранения электрической энергии в Берлинском техническом университете, подчеркивает: «Импульсная зарядка может принести много преимуществ с точки зрения стабильности электродных материалов и интерфейсов и значительно продлить срок службы аккумуляторов».
