Направленное освещение сокращает время перезарядки литий-ионной батареи

Исследования в области ускоренного заряда литиевых батарей идут ударными темпами. Ученые открывают новые методы, подходы и концепции. Дело не в том, какой ток может выдавать источник зарядки, а в том, как быстро может происходить химическая реакция внутри элемента. Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) протестировали схему, в которой излучение (свет) направляется на элемент во время зарядки, что сокращает время зарядки примерно вдвое.

Обычная химическая реакция процесса заряда аккумулятора состоит из переноса ионов лития из оксидного катода в графитовый анод. Чтобы исследовать процесс подзарядки светом, исследовательская группа создала небольшие литий-ионные элементы, обычно называемые «монетными элементами», с прозрачными кварцевыми окнами, а затем сравнила процесс заряда с направленным белым светом, падающим на катод через окно, и без него.

Принцип фотоускоренного элемента литий-ионного аккумулятора

Принцип работы фотоускоренного элемента литий-ионного аккумулятора: элемент состоит из прозрачного окна, токосъемника, катода, электролита, сепаратора (разделителя) и анода (а). Широкополосный белый свет используется с ИК-фильтром, чтобы избежать нежелательного нагрева ячейки. На рисунке (b) показан увеличенный вид композитного катода LMO, состоящего из тефлонового связующего элемента и углеродных частиц в качестве проводящего разбавителя и порошка активного оксида. Профиль напряжения гальваностатического циклического напряжения ячейки LMO (c) показывает три цикла профилей зарядки (сплошные линии) и разряда (штриховые линии) между 3,2 и 4,4 В со скоростью C / 10.

Материалом катода был оксид лития-марганца или LiMn2O4 (сокращенно LMO). Поглощая фотоны света во время зарядки, элементы марганца в LMO изменяют свое состояние заряда с трехвалентного на четырехвалентное (Mn3 + на Mn4 +). В ответ ионы лития выбрасываются из катода быстрее, чем если бы это происходило без процесса фотонного возбуждения.

Формально, такое усиление возможно благодаря индукции микросекундного долгоживущего состояния с разделенным зарядом, состоящего из Mn4 + (дырка) плюс электрон. Это приводит к образованию более окисленных металлических центров, поскольку выбрасываемые ионы лития “создаются” под действием света и смещения напряжения. Данная ситуация, в свою очередь, ускоряет химическую реакцию внутри батареи.

Эксперименты по включению света проводились при интенсивности 1 SUN (100 мВт / см2). Команда Argonne обнаружила, что более быстрая реакция приводит к более быстрой зарядке, но без ухудшения характеристик батареи или продолжительности цикла — важные соображения в любой схеме ускорения перезарядки аккумулятора (рисунок ниже). Они использовали чрезвычайно сложные измерительные инструменты и методы (в конце концов, это Аргоннская национальная лаборатория), чтобы оценить не только изменения характеристик аккумуляторной ячейки и электрохимических процессов, но также любые нежелательные побочные эффекты воздействия ксеноновой лампы с УФ-фильтром, выходящие далеко за рамки стандартных метрик напряжения, тока и емкости.

Электрохимические характеристики светопринимающего «открытого» литий-ионного аккумуляторного элемента

Электрохимические характеристики светоприемника «открытого» литий-ионного аккумуляторного элемента: показаны кривые хроноамперометрии для состояния «включено» и «выключено» во время зарядки с удержанием постоянного напряжения 4,07 В (против Li + / 0) при времени заряда примерно 22 минуты (а). В (b) кривые постоянного разряда выполняются без освещения после эксперимента с хроноамперометрией, показанного в (a) (профили напряжения при C / 10).

После световой пробы клетка восстановила нормальную функцию, и Рамановская спектроскопия материала LMO не показала никаких изменений фазы или разложения / изменения электролита. Они также провели контрольные тесты, чтобы оценить вредные эффекты, если таковые имеются, от тепла, связанного с падающим светом, но они были незначительными.

К сожалению, пока нет однозначного ответа на вопрос о полезности данного открытия — это практичность, жизнеспособность и стоимость «прозрачных» корпусов аккумуляторов, а также физические проблемы, связанные с интенсивным освещением аккумуляторного элемента или блока. Исследовательская группа выполнила эту работу в рамках Центра по изучению электрохимической энергии (CEES), Исследовательского центра энергетических границ Министерства энергетики США (EFRC) во главе с Аргоннской национальной лабораторией.

Добавить комментарий

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