Трещины в положительных электродах аккумуляторов приводят к ускорению их зарядки

По данным ученых Мичиганского университета, трещины в положительных электродах Li-Ion АКБ имеют свою положительную сторону. Она заключается в том, происходит сокращение времени заряда аккумулятора. При этом, производители электромобилей не согласны с этим. Они стараются свести к минимуму число трещин в положительных электродах. Ведь это уменьшает срок службы аккумулятора.

Команда исследователей считает, что полученные результаты справедливы по отношению к половине всех аккумуляторных батарей для электромобилей. Речь идёт об аккумуляторах, где положительный электрод состоит из лития, никеля, марганца, оксида кобальта или лития, никеля, кобальта, оксида алюминия. Учёные считают, в теории скорость заряда находится в зависимости от отношения поверхности частиц к объему. Более мелкие частицы заряжаются быстрее крупных. Это объясняется большей площадью поверхности электрода, из мелких частиц. Ионы лития обладают более короткими расстояниями для диффузии через них.

Стандартные методики не позволяют напрямую измерить зарядные свойства отдельных частиц катода. С их помощью можно лишь измерить среднее значение для всех частиц, входящих в состав катода. Джинхонг Мин, который участвовал в исследованиях, заявил о более высокой активной поверхности при растрескивании катодных частиц.

Ли и Мин провели измерение скорости заряда отдельных частиц катода. Это позволило им обнаружить положительную сторону трещин в материале катода. В своих исследованиях они использовали устройство, применяемое нейробиологами для изучения передачи электрических сигналов отдельными клетками мозга. Они вставили в него частицы катодного материала. Как сказал Ли, во время учёбы в аспирантуре он узнал об этих массивах, которые используются для изучения отдельных нейронов. Ему стало интересно, можно ли использовать данную методику для изучения частиц катодов. Эти частицы сопоставимы по размерам с нейронами.

Каждый из использованных исследователями массивов является чипом 2 х 2 см. На нём содержится около 100 микроэлектродов. Мин провёл рассеивание катодных частиц в центре чипа. Он поместил эти отдельные частицы на собственные электроды в этом массиве. Для этого использовалась игла толщиной в 70 раз меньше человеческого волоса. После этого исследователи смогли проводить одновременно заряд и разряд до четырёх отдельных частиц в каждом массиве. В исследовании проводилось измерение для двадцати одной частицы. Учёные утверждают, что скорость заряда частиц катода не зависит от их размеров. Они объясняют это тем, что более крупные частицы при растрескивании по поведению похожие на совокупность более мелких.

Среди других особенностей исследователи отмечают быстрое перемещение ионов лития по границам зёрен. Это мизерные промежутки между нанокристаллами, из которых состоит катодная частица. Ли считает маловероятным, что жидкий электролит аккумулятора не проникнет через границы зёрен, из-за чего происходит образование трещин в катоде.

Учёные говорят, что преимущество катодных материалов с трещинами необходимо брать в расчёт при разработке аккумуляторов с монокристаллическими частицами. Для того, такие батареи быстро заряжались, частицы должны быть меньше, чем они есть сейчас. Ли считает, что альтернативой этому является разработка монокристаллических катодов из ряда других материалов. Это позволит ускорить перемещение литиевых частиц. Однако доступность данных материалов может быть ограничена поставками металлов. Кроме того, у них может быть меньшая энергетическая плотность.

Как сообщается, устройство для тестирования было создано на предприятии Лурье по производству наноматериалов. Его изучение было проведено в Мичиганском центре характеристик материалов. Финансирование исследования осуществлялось Инженерным колледжем Мичиганского университета, компаниями LG Energy Solution и Battery Innovation Contest.