Что нового в литий-ионных аккумуляторах в 2022? 13 технологий и новостей

1. Литий-ионная технология главенствует

Среди существующих аккумуляторных технологий сейчас больше всего распространена литий-ионная (обозначается для краткости LIB — Li-Ion Battery). Причина в преимуществах характеристик:

• • плотность энергии (питает махонький смартфон до двух суток);
• • мощность разряда (годится для тяговых батарей электротранспорта);
• • кулоновская эффективность (отдаёт энергии, сколько и принимает);
• • срок службы (держит от 500 циклов заряда-разряда).

Благодаря этим преимуществам электромобили, портативная и гибкая электроника, а также стационарные устройства (промышленные, медицинские, инфраструктурные) сейчас оснащаются аккумуляторами типа Li-ion.

Источник: «A reflection on lithium-ion battery cathode chemistry» [Nat. Commun. 2020, 11, 1–9].

Читайте также: «Li-Ion аккумуляторы: плюсы и минусы литий-ионных аккумуляторов».

2. Предложили токосъёмник получше

Создан токосъёмник на основе полимер-углеродного композита вместо алюминиевой фольги.

Аккумуляторы с такими терминалами получат:

• • в 5 раз ниже сопротивление (быстрая зарядка);
• • на 50% меньше плотность материала (легче электрод).

Источник: «Lightweight Polymer-Carbon Composite Current Collector for Lithium-Ion Batteries» [Batteries 2020, 6, 60].

Читайте также: «Что внутри аккумулятора телефона? Наглядно».

3. Изучили эффект грануляции катода

Учёные научились понимать влияние гранулометрического состава катода на характеристики Li-ion. В такой архитектуре определённо есть смысл, но исследования продолжаются.

На данный момент измерена зависимость динамических параметров батареи от размера частиц, что уже применяют инженеры.

Источник: «Effect of the Particle Size Distribution on the Cahn-Hilliard Dynamics in a Cathode of Lithium-Ion Batteries» [Batteries 2020, 6, 29].

Читайте также: «У вас в смартфоне аккумулятор «кобальтовый»! Что это значит?».

4. Нашли решение проблем электролитов

Исследовали побочные реакции в существующих электролитах и создали новую модель зависимости напряжения от стареющих (деградирующих) материалов электролита (различные виды побочных реакций органической основы и добавок).

Измеренная и смоделированная зависимость электрохимических реакций от изменений свойств материала уже сейчас помогает производителям улучшать состав электролитов.

Источник: «The Physical Manifestation of Side Reactions in the Electrolyte of Lithium-Ion Batteries and Its Impact on the Terminal Voltage Response» [Batteries 2020, 6, 53].

Читайте также: «Улучшая аккумулятор Li-ion: добавки в электролит (присадки)».

5. Улучшили измерение «качества»

Обнаружен оптимальный метод определения ключевой характеристики качества Li-ion — внутреннего сопротивления. Разработаны процедуры, учитывающие два метода спектроскопии электрохимического импеданса (EIS) и модели эквивалентной схемы (ECM).

Эти разработки стали основой высокоточного прогноза производительности и срока службы аккумулятора.

Источник: «Unification of Internal Resistance Estimation Methods for Li-Ion Batteries Using HysteresisFree Equivalent Circuit Models» [Batteries 2020, 6, 32].

Читайте также: «Почему с аккумуляторами для гаджетов так много обмана?».

6. Научились оценивать деградацию

Учёные углубились в понимание кулоновской эффективности Li-ion при их деградации/износе.

Полученные результаты исследования предложены производителям для оптимизации контроля зарядки и разрядки элементов, снижающих скорость старения аккумуляторов.

Источник: «Effect of Current Rate and Prior Cycling on the Coulombic Efficiency of a Lithium-Ion Battery» [Batteries 2020, 6, 57].

Читайте также: «Чего боятся литий-ионные аккумуляторы: 6 причин износа».

7. Нашли как ещё улучшить контроллеры

Определены экстремальные температурные возможности аккумулятора Li-ion для лучшей настройки контроллеров.

Полученные методы интегрируют в систему управления батареями в целях повышения безопасности батарей при опасно высоких температурах.

Источник: «In-Operando Impedance Spectroscopy and Ultrasonic Measurements during High-Temperature Abuse Experiments on Lithium-Ion Batteries» [Batteries 2020, 6, 25].

Читайте также: «Принцип работы контроллера аккумулятора в телефоне и гаджетах».

8. Узнали больше про Li-ion при авариях

Провели комплексный анализ опасности отказа Li-ion в электромобилях при повышенных температурах, имитирующих момент ДТП/аварии (произвольный сбой с тепловым разгоном).

Эксперименты помогли найти и определить параметры:

• • температурный отклик ячейки,
• • максимальная достигнутая температура поверхности ячейки,
• • количество отходящего газа,
• • расход газа,
• • состав газов,
• • размер и состав отделившихся частиц.

Результаты представили ценность для всех производителей, кто связан с аккумуляторными технологиями, включая спасателей, пожарные службы, конструкторов аккумуляторных батарей и переработчиков ячеек.

Источник: «Comprehensive Hazard Analysis of Failing Automotive Lithium-Ion Batteries in Overtemperature Experiments» [Batteries 2020, 6, 30].

Читайте также: «Аккумуляторы и безопасность: советы, которые спасут вашу жизнь».

9. Разработали теорию производства

Разработана теоретическая основа по допускам выбора материалов для производства аккумуляторов литий-ионного типа.

Учёные дали объяснение, как влияет на качество и производительность ячейки от партии к партии:

• • пористость электрода,
• • объём внутренних пустот электрода,
• • ёмкость ячейки и коэффициент ёмкости, возникающий в результате нанесения покрытия на электрод;
• • допуски каландрирования (в качестве параметров производства).

Источник: «Theoretical Impact of Manufacturing Tolerance on Lithium-Ion Electrode and Cell Physical Properties» [Batteries 2020, 6, 23].

Читайте также: «Как производители выбирают аккумулятор для смартфона?».

10. Предложили лазерную резку

Для массового производства Li-ion предложена лазерная резка катодов. Изучено её влияние на электрохимические характеристики при разделении катодов на кромках реза.

Результаты исследования уже используются производителями для получения ячеек с менее высокой себестоимостью и лучшим контролем качества.

Источник: «Influence of Laser-Generated Cutting Edges on the Electrical Performance of Large Lithium-Ion Pouch Cells» [Batteries 2020, 6, 73].

Читайте также: «Почему хорошие аккумуляторы с Алиэкспресс такая редкость?».

11. Расследовали влияние сварных швов

Несколько исследований провели для разработки стратегии улучшения аккумуляторных батарейных блоков (электроинструмент, ноутбуки, электросамокаты, электровелосипеды электромобили и так далее).

Создали автоматизированный процесс лазерной сварки контактов с понижением сопротивления и уменьшения потерь энергии при соединениях ячеек. Расследование с разными формами и положениями сварных швов показало в цифрах влияние на характеристики получаемых батарейных блоков.

Источник: «Electrical Modelling and Investigation of Laser Beam Welded Joints for Lithium-Ion Batteries» [Batteries 2020, 6, 24].

Читайте также: «Можно ли паять аккумуляторы 18650? Как их лучше соединить?».

12. Изучили старение ячеек в батареях

Процесс старения отдельных ячеек в батарейных блоках изучили и определили критерии отбора элементов для извлечения и замены.

Выяснилось, что в батареях среднего возраста менять ячейки эффективно — весь блок работает лучше. В то время как в старых блоках ставить новые ячейки неэффективно. Лучше пересобрать изношенные батареи и применять в менее требовательных приложениях.

Источник: «Cell Replacement Strategies for Lithium Ion Battery Packs» [Batteries 2020, 6, 39].

Читайте также: «Есть ли машины Tesla, в которых уже была замена батареи?».

13. Создали теорию охлаждения Li-ion

Созданы готовые к применению «здесь и сейчас» (притом рентабельные) схемы терморегулирования батарейных блоков Li-ion в электромобилях. Поскольку от температуры зависит срок службы батарей и производительность, учёные ищут модели эффективного жидкостного охлаждения (в жару) и нагрева (в мороз зимой).

Предложили основу для создания моделей эквивалентных схем, которые воспроизводят мультифизический феномен литий-ионных аккумуляторных батарей. На практике это системы жидкостного охлаждения, разработанные по унифицированной методике схем замещения. Они оказались очень точными и рентабельными с точки зрения вычислений.

Источник: «Multi-physics equivalent circuit models for a cooling system of a lithium ion battery pack» [Batteries 2020, 6, 44].

Читайте также: «Россия и электромобили зимой в морозы: как производители решают проблему «зимнего пакета»?».

Пишите вопросы в комментарии. Мы ждём ваши сообщения и ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.