Новое исследование показывает, что покрытие аккумулятора тонким слоем борат-карбоната лития может увеличить скорость зарядки на 500% при температуре ниже нуля.
Низкие температуры ограничивают скорость зарядки и снижают общую энергоэффективность из-за химических процессов, происходящих во время зарядки. (Изображение предоставлено: Devgnor/Getty Images)
Согласно результатам исследования, электромобили могут заряжаться на 500% быстрее в холодную погоду благодаря новому производственному процессу.
В новом исследовании, опубликованном 17 марта в журнале Joule, учёные объяснили, как можно значительно повысить скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов при температуре до 14 градусов по Фаренгейту (минус 10 градусов по Цельсию), изменив конструкцию аккумулятора и химические реакции, происходящие во время зарядки.
Исследователи смогли «одновременно добиться экстремально быстрой зарядки при низких температурах, не жертвуя при этом плотностью энергии литий-ионного аккумулятора», — Нил Дасгупта, автор исследования и доцент кафедры машиностроения и материаловедения в Мичиганском университете, сказал в заявлении.
Низкие температуры ограничивают скорость зарядки и снижают общую энергоэффективность из-за химических процессов, происходящих во время зарядки.
Батареи работают за счёт перемещения ионов лития между двумя электродными пластинами в растворе жидкого электролита. Этот процесс эффективен при более высоких температурах, но в холодных условиях жидкость электролита густеет, уменьшая силу тока и тем самым увеличивая время зарядки.
Производители решали эту проблему несколькими способами, в том числе увеличивая толщину электродов, используемых в аккумуляторных батареях, или изменяя структуру самой батареи. Но эти меры ещё больше усугубили проблему. Исследование эффективности литий-ионных аккумуляторов, проведённое в 2023 году, показало, что, например, изменение состава электролитов снижает скорость зарядки.
Исследователи создают новые ‘пути’ для ионов
В предыдущем исследовании, опубликованном в 2020 году, учёные создали то, что они назвали новыми «каналами» в аноде — электроде, который принимает ионы лития во время зарядки и отправляет электроны на катод на противоположном конце.
Чтобы создать эти каналы, исследователи с помощью лазера проделали отверстия в графитовых слоях анода, что позволило ионам лития двигаться быстрее, а значит, они могли быстрее встраиваться в электрод.
Этот более ранний проект ускорял процесс зарядки, но в холодную погоду на аноде образовывался слой лития. Это «покрытие» препятствовало реакции электрода с электролитом.
«Это покрытие препятствует зарядке всего электрода, что снова снижает энергоёмкость аккумулятора», — рассказал Live Science соавтор исследования Манодж Джангид, старший научный сотрудник Мичиганского университета.
Чтобы предотвратить образование этого слоя, в новом исследовании аккумулятор покрыли материалом толщиной 20 нанометров, изготовленным из борат-карбоната лития. Предыдущие исследования твердотельных аккумуляторов показали, что этот материал повышает эффективность доставки ионов.
В данном случае, по словам исследователей, покрытие в сочетании с технологией проводников обеспечило 500-процентное повышение эффективности зарядки при отрицательных температурах. Батареи, модифицированные с помощью этих технологий, также сохраняли 97% своей ёмкости даже при быстрой зарядке до 100 раз при отрицательных температурах.
Хотя исследование было ограничено по масштабу, Дасгупта сказал, что эти изменения легко внедрить на производственном уровне и они могут иметь далеко идущие последствия.
«Мы считаем, что производители аккумуляторов для электромобилей могли бы внедрить этот подход без серьёзных изменений на существующих заводах», — сказал Дасгупта.