Исследуя быстрые зарядки, учёные Стэнфорда случайно нашли, как продлить жизнь аккумулятору, изменив протокол зарядки.
Срок службы аккумуляторной батареи увеличивается на треть.
В экспериментах немного изменили финальный этап зарядки, чтобы подтолкнуть к восстановлению неактивный материал. Он накапливается при старении аккумулятора и заставляет бедолагу терять ёмкость.
Так что — «Эврика»?
Что случилось?
Учёные Стэндфордского университета (США) и SLAC (Национальная ускорительная лаборатория, Минэнергетики США) в поисках методов ускорения зарядки электромобилей наблюдали за перемещением ионов лития во время зарядки и разрядки литий-ионного аккумулятора NMC.
Это Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный элемент (LiNixMnyCozO2). Специально разработали «оптическую ячейку» для сквозного наблюдения через приборы.
Такое тестовое устройство позволило отслеживать, что происходит внутри батареи во время её использования.
Инженерная мысль дала первые плоды. Исследователи обнаружили кое-что интересное.
Что учёные нашли?
Электрохимически неактивный материал (условно назван «мёртвый литий» [публикация в Journal of Materials Chemistry A, 2017]) восстанавливается, если в самом конце зарядки аккумулятора кратковременно изменить:
- • продолжительность,
- • направление
- • и приложенную плотность тока.
Перемещению ионов лития перестаёт мешать островок из «мёртвого лития». Аккумулятор вновь набирает ёмкость.
Нужен краткий этап сильноточной разрядки сразу после зарядки аккумулятора.
Учёные провели эксперимент и смогли разработать протокол зарядки литий-ионных аккумуляторов. Повторное подключение «мёртвого лития» к аноду увеличило срок службы испытательной ячейки почти на 30%.
Изменение характеристик испытуемых NMC-ячеек при использовании спецпротокола зарядки и обычного (без алгоритма «подталкивания»).Мы отправили вопросы к разработчикам по указанным в работе email, вот какие комментарии они дали.
Yi Cui (Йи Цуй, руководитель исследования)
При зарядке элемента островок «мёртвого лития» медленно двигается к катоду. При разряде ползёт в обратную сторону. Аналогия с червём.
«Это похоже на очень медленного червяка, который продвигает голову вперед и втягивает хвост, чтобы двигаться нанометр за нанометром. В этом случае он перемещается, растворяясь на одном конце и откладывая материал на другой конец. Если мы сможем поддерживать движение литиевого червяка, он в конечном итоге коснётся анода и восстановит электрическое соединение».
«Островок-червяк» перемещается, добавляя металлический литий, то на одном конце (синий), то растворяя его на другом конце (красный).Fang Liu (Фан Лю, ведущий автор)
Когда островок неактивного металлического лития перемещается к аноду или отрицательному электроду батареи и снова подключается, он оживает. Ионы лития вновь сохраняют заряд до тех пор, пока он не понадобится.
«Мы обнаружили, что можем [принудительно] перемещать отделённый литий к аноду во время разряда. Эти движения быстрее при более высоких токах. Поэтому мы добавили этап быстрой сильноточной разрядки сразу после зарядки аккумулятора, в результате чего изолированный литий сдвинулся достаточно далеко, чтобы снова соединить его с анодом. Это реактивирует литий, так что он может участвовать в сроке службы батареи. Наши результаты также имеют большое значение для проектирования и разработки более надёжных литий-металлических батарей».
Мнение Neovolt
Открытие заслуживает внимания, так как уже доступно для практического применения здесь и сейчас. Достаточно поменять протокол зарядки в блоке питания, не трогая сами аккумуляторные ячейки.
Тот случай, когда изобретать новую батарейку не нужно.
1. Аккумуляторы изнашиваются
Все аккумуляторы стареют и теряют ёмкость — деградирует их материал из-за непрекращающихся окислительно-восстановительных реакций внутри. Образуются дендриты и, как учёные назвали, «мёртвый литий» в ходе растворения дендритов и образования границы раздела твёрдого электролита и изолированного лития.
То есть любая литий-ионная батарея даже самая дорогая — это расходник. Он требует замены через 2-3 года в случае мобильной электроники и 4-8 лет в устройствах покрупнее (от ноутбуков до электромобилей).
2. Учёные обещают +200 циклов
Мы изучили графики (в конце статьи ссылка на источник). На них изображено возвращение номинальной кривой зарядки после активации режима «подталкивания» аккумулятора в конце каждого цикла зарядки.
По сути, если сразу же начать использовать предложенный алгоритм в новой аккумуляторной ячейке, то теоретически она прослужит на 200 циклов больше. Важно отметить, что утверждение справедливо для испытуемого примера высокотоковых ячеек NMC, которые в среднем служат 700-1000 циклов.
3. Не всё так просто
Но возникают вопросы. Можно ли такое применять, например, для смартфонных кобальтовых LCO-ячеек? Они опасны при перезаряде и «играх» с током на финальных этапах зарядки (при высоком напряжении очень чувствительны к току, чуть что вызывая неконтролируемый тепловой разгон).
Никакой «Эврики» не получилось. Теория требует экспериментов и испытаний на практике.
Да, исследование с хорошими многообещающими результатами (продлить срок службы аккумулятора NMC на 200 циклов — очень круто). Но возникают теоретические вопросы и гипотезы. Для коммерциализации это работы нужны ответы, доказательства, гарантии.
Источник для самостоятельного изучения научная публикация: «Динамическое пространственное перемещение изолированного лития во время работы от батареи» [журнал Nature, 22 декабря 2021].
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.
Для шруповера подключил аккумляторы и когда заряд на 100 процентов и сразу не отключая зарядник сразу исползую шруповерт а заряник 24 в 10 а так можно увеличить акб лион
Здравствуйте. Поскольку важно всегда иметь полный заряд на шуруповерте, делая это, Вы можете быть уверены, что сможете использовать устройство гораздо дольше, не беспокоясь о разрядке аккумулятора.