Ученые нашли способ улучшить аккумуляторы без сокращения срока их службы

Быстрая зарядка электромобилей приводит к накоплению лития и ускоренному износу батарей. Исследователи создали точную компьютерную симуляцию внутренней структуры аккумулятора, чтобы понять причины этого явления.

Скорость зарядки электромобилей напрямую связана с долговечностью аккумуляторных блоков

Источник: Unsplash

Ученые из Корейского института передовых технологий создали трехмерную модель анода для изучения деградации батарей при быстрой зарядке. Статья опубликована в журнале InfoMat.

Скорость зарядки электромобилей напрямую связана с долговечностью аккумуляторных блоков. Анод литий-ионной батареи состоит из частиц графита, связующего вещества и пор, заполненных электролитом. Во время зарядки ионы лития перемещаются внутрь графита и накапливаются там. При слишком быстрой подаче энергии часть ионов не успевает проникнуть в материал и оседает на поверхности в виде металлического слоя.

Процесс металлизации лития напоминает пробку на въезде в паркинг, когда машин больше, чем свободных мест. Это явление ускоряет деградацию батареи и снижает ее емкость. Также при зарядке формируется защитная пленка, неравномерная толщина которой ухудшает рабочие характеристики. Дополнительно возникает механическое напряжение из-за расширения графита внутри электрода.

Также при зарядке формируется защитная пленка, неравномерная толщина которой ухудшает рабочие характеристики

Источник: Freepik

Влияние внутренней структуры на износ

Множество негативных процессов протекает на микроуровне одновременно, поэтому их трудно различить при физических тестах. Существующие расчеты опирались на усредненные показатели электродов. Инженеры обошли это ограничение, создав трехмерного цифрового двойника на основе структуры коммерческого графитового анода. Виртуальная среда позволила воссоздать расположение частиц, клея и электролита.

Симуляция показала: поведение анода при зарядке сильно зависит от пространственного распределения компонентов. В тонких электродах размером 50 мкм разница в емкости из-за разного расположения полимера не превышала 4%.

Однако внутри материала четко различались зоны скопления лития и участки повышенного износа. Концентрация связующего вещества возле сепаратора блокировала поры и усиливала осаждение металла на 10%.

Равномерное распределение клеящего состава обеспечивало стабильное движение ионов и однородное формирование защитной пленки. Этот эффект становился заметнее с увеличением толщины элементов питания. В анодах толщиной 83 мкм разница в зарядной емкости достигала уже 18% в зависимости от распределения компонентов. Размещение пор также влияло на уровень механического напряжения внутри графита.

Открытие задает новый вектор в проектировании аккумуляторов для электротранспорта. Инженерам необходимо учитывать не только количество материалов, но и их геометрию внутри ячеек.

Использование 3D-моделирования позволит тестировать внутренние проблемы на виртуальном полигоне без ручного создания десятков прототипов. Внедрение технологии ускорит выпуск емких и долговечных элементов питания.

Ранее российские ученые создали материал, который ускорит зарядку и увеличит емкость аккумуляторов.