Почему литий – ионные батареи не долговечны?

Литий – ионные аккумуляторы, используемые, например, в ноутбуках, планшетах или смартфонах, имеют довольно ограниченный срок службы. Инженеры утверждают, что причиной снижения производительности батареи является «снижение емкости». Это означает, что с каждым новым циклом зарядки емкость батареи уменьшается. Вот почему, смартфон с новой батареей способен держать заряд больше суток, а через несколько лет эксплуатации всего несколько часов.

До сих пор причины постоянного снижения емкости аккумуляторов не были до конца исследованы. Однако ученые из Аргоннской национальной лаборатории недавно нашли основную причину потери емкости мощных литий – ионных батарей. В литий – ионных аккумуляторах, используемых в ноутбуках, смартфонах, планшетах, а также в электромобилях и гибридных автомобилях, емкость напрямую связана с количеством ионов лития, которые могут перемещаться между двумя клеммами батареи при ее заряде/ разряде.

Данное движение становится возможным благодаря ионам некоторых переходных металлов, которые изменяют состояния окисления при «входе и выходе» ионов лития из катода. Однако, при циклической работе аккумулятора (заряд/разряд), некоторые из ионов (например, марганца) покидают катодный материал, а в дальнейшем и анодный.

Причины небольшого срока службы литий ионных аккумуляторов

Вблизи анода ионы металлов взаимодействуют с участком батареи, называемым межфазной сеткой твердого электролита, который формируется благодаря реакции  между высоко активным анодом и жидким электролитом, который переносит ионы лития. Для каждой молекулы электролита, которая учавствует и разлагается в процессе, называемом восстановлением, ион лития попадает в межфазную зону. По мере того как все больше ионов лития попадает в эту зону, емкость аккумулятора уменьшается.

Некоторые молекулы в этой фазе не полностью разложены. А это означает, что они могут принимать больше электронов и связывать еще больше ионов лития. Эти молекулы похожи на сухое дерево, «ожидающее» искры.

Ионы марганца, попавшие в эту интерфазу, действуют как искра, воспламеняющая сухое дерево: эти ионы усиливают эффект при катализе реакций с не полностью восстановленными молекулами, «улавливая» больше ионов лития в процессе реакции.

«Существует строгое соотношение между количеством марганца, которое пробивается к аноду, и количеством лития, который попадает в «ловушку»», — сказал ученый Аргонн Даниэль Абрахам. «Теперь, когда мы знаем механизмы задерживания ионов лития и причины их исчезновения, мы можем найти способы решения этой проблемы».

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *