Вэйю Ли, исследовательница из Университета Висконсин-Мэдисон, разработала вычислительную модель, которая объясняет причины перегрева и возгораний литий-ионных аккумуляторов при интенсивной зарядке. В центре внимания её работы находится феномен литиевого покрытия, возникающего, когда литий оседает на поверхности графитового анода, что может вызывать короткие замыкания и ускоренное старение батарей.
Быстрая зарядка литий-ионных аккумуляторов стала необходимым элементом для современных гаджетов и электромобилей, однако проблема их перегрева остаётся неразрешённой. До сих пор механизмы, ответственные за формирование литиевого покрытия, оставались недостаточно изученными, что усложняло разработку безопасных технологий.
Модель, предложенная Ли, впервые детально анализирует взаимодействие между движением ионов лития и электрохимическими реакциями в графитовом аноде. «Мы выяснили, каким образом эксплуатационные параметры, такие как сила тока и температура, а также характеристики материалов влияют на начало процесса литиевого покрытия», — объяснила исследовательница. — Это позволило создать универсальную диаграмму, предоставляющую чёткие рекомендации по предотвращению данного явления без необходимости в дополнительных вычислениях».
Изображение: Leonardo
В отличие от предыдущих исследований, ограничивавшихся экстремальными режимами заряда, новая модель охватывает разнообразные условия, включая изменения плотности тока, уровень заряда и пористость материалов электродов. Ключевым открытием стало выявление зависимости времени начала литиевого покрытия от эксплуатационных характеристик и свойств компонентов. На основе этих данных была разработана «диаграмма литиевого покрытия» — инструмент для оптимизации материалов и протоколов зарядки батарей.
«Ранее инженеры работали методом проб и ошибок, — отмечает учёная. — Теперь у нас есть научно обоснованные критерии, которые подскажут, как регулировать зарядный ток относительно состояния батареи, чтобы предотвратить осаждение лития». По мнению автора, это открытие существенно ускорит создание аккумуляторов, обеспечивающих быструю зарядку при высоком уровне безопасности и долговечности. В дальнейших планах Ли — усовершенствование модели с учётом специфики компонентов батареи, способных влиять на формирование литиевых отложений.
Вместе с тем на повестке дня научного сообщества стоят разработки родственных технологий: например, недавно американские учёные предложили способ визуализации процессов внутри работающего аккумулятора в реальном времени. Эти исследования особенно востребованы на фоне потребностей рынка электромобилей, где оперативная зарядка становится важным конкурентным преимуществом. Совместные усилия учёных, направленные на глубинное изучение процессов в батареях, приближают приход эры энергонакопителей, которые будут не только более эффективными, но и безопасными по сравнению с нынешними аналогами.
Источник: iXBT
