Первая зарядка литий-ионного аккумулятора имеет большее значение, чем кажется. Она определяет, насколько хорошо и как долго аккумулятор будет работать с этого момента, в частности, сколько циклов зарядки и разрядки он может выдержать, прежде чем испортится.
В исследовании , опубликованном сегодня в журнале Joule, исследователи из Центра аккумуляторов SLAC-Стэнфордского университета сообщают, что первая зарядка аккумуляторов необычно высокими токами увеличила их средний срок службы на 50%, а также сократила первоначальное время зарядки с 10 часов до всего лишь 20 минут.
Не менее важно и то, что исследователи смогли использовать научное машинное обучение, чтобы выявить конкретные изменения в электродах аккумулятора , которые отвечают за увеличение срока службы и производительности — бесценная информация для производителей аккумуляторов, стремящихся оптимизировать свои процессы и улучшить свою продукцию.
Исследование было проведено группой SLAC/Stanford под руководством профессора Уилла Чуэ в сотрудничестве с исследователями из Toyota Research Institute (TRI), Массачусетского технологического института и Вашингтонского университета. Оно является частью исследований устойчивости SLAC и более широких усилий по переосмыслению нашего энергетического будущего с использованием уникальных инструментов и опыта лаборатории, а также партнерских отношений с промышленностью.
«Это прекрасный пример того, как SLAC использует производственную науку, чтобы сделать критически важные технологии для энергетического перехода более доступными», — сказал Чуэ. «Мы решаем реальную проблему, с которой сталкивается промышленность; что особенно важно, мы сотрудничаем с промышленностью с самого начала».
По словам Стивена Торриси, старшего научного сотрудника TRI, участвовавшего в исследовании, результаты имеют практическое значение для производства не только литий-ионных аккумуляторов для электромобилей и электросетей, но и для других технологий.
«Это исследование очень интересно для нас», — сказал он. «Производство аккумуляторов — чрезвычайно капиталоемкое, энергоемкое и времяемкое. Требуется много времени, чтобы развернуть производство нового аккумулятора, и действительно сложно оптимизировать производственный процесс, поскольку в него вовлечено так много факторов».
Торриси сказал, что результаты этого исследования «демонстрируют обобщаемый подход к пониманию и оптимизации этого важнейшего этапа производства аккумуляторов . Кроме того, в будущем мы сможем применить полученные знания к новым процессам, объектам, оборудованию и химии аккумуляторов».
«Мягкий слой», который имеет решающее значение для производительности аккумулятора
Чтобы понять, что происходит во время первоначального цикла работы батареи, команда Чуэ создает пакетные элементы, в которых положительные и отрицательные электроды окружены раствором электролита, в котором ионы лития свободно перемещаются.
Когда батарея заряжается, ионы лития текут в отрицательный электрод для хранения. Когда батарея разряжается, они текут обратно и перемещаются в положительный электрод; это запускает поток электронов для питания устройств, от электромобилей до электросети.
Положительный электрод новой батареи на 100% заполнен литием, сказал Сяо Цуй, ведущий научный сотрудник группы по информатике батарей в лаборатории Чуэ. Каждый раз, когда батарея проходит цикл заряда-разряда, часть лития дезактивируется. Минимизация этих потерь продлевает срок службы батареи.
Как ни странно, один из способов минимизировать общую потерю лития — это намеренно потерять большой процент первоначального запаса лития во время первой зарядки батареи, сказал Куй. Это как сделать небольшую инвестицию, которая принесет хорошую прибыль в будущем.
Эта потеря лития в первом цикле не напрасна. Потерянный литий становится частью мягкого слоя, называемого твердоэлектролитной интерфазой, или SEI, который образуется на поверхности отрицательного электрода во время первой зарядки. В свою очередь, SEI защищает отрицательный электрод от побочных реакций, которые ускоряют потерю лития и со временем приводят к более быстрому ухудшению состояния батареи. Правильное определение SEI настолько важно, что первая зарядка известна как формовочный заряд.
«Формирование — это последний этап производственного процесса, — сказал Куй, — поэтому, если он не удается, все усилия и ценность, вложенные в батарею до этого момента, оказываются напрасными».
Высокий ток зарядки повышает производительность аккумулятора
Производители обычно заряжают новые батареи первым зарядом с низким током, теоретически, что это создаст самый прочный слой SEI. Но есть и обратная сторона: зарядка с низким током требует много времени и денег и не обязательно дает оптимальные результаты. Поэтому, когда недавние исследования показали, что более быстрая зарядка с более высоким током не ухудшает производительность батареи, это было захватывающей новостью.
Но исследователи хотели копнуть глубже. Ток зарядки — это всего лишь один из десятков факторов, которые участвуют в формировании SEI во время первой зарядки. Тестирование всех возможных их комбинаций в лаборатории, чтобы увидеть, какая из них работает лучше всего, — непосильная задача.
Чтобы свести проблему к управляемому размеру, исследовательская группа использовала научное машинное обучение, чтобы определить, какие факторы наиболее важны для достижения хороших результатов. К их удивлению, только два из них — температура и ток, при котором заряжается аккумулятор — выделялись среди всех остальных.
Эксперименты подтвердили, что зарядка высокими токами оказывает огромное влияние, увеличивая срок службы средней тестовой батареи на 50%. Она также дезактивировала гораздо больший процент лития изначально — около 30% по сравнению с 9% при предыдущих методах — но это оказалось положительным эффектом.
Удаление большего количества ионов лития в начале немного похоже на то, как если бы вы вычерпывали воду из полного ведра перед тем, как нести его, сказал Куй. Дополнительное свободное пространство в ведре уменьшает количество воды, выплескивающейся по пути. Аналогичным образом, дезактивация большего количества ионов лития во время формирования освобождает свободное пространство в положительном электроде и позволяет электроду циклироваться более эффективно, улучшая последующую производительность.
«Оптимизация методом проб и ошибок — обычное дело в производстве: как нам следует выполнять первую зарядку и какова выигрышная комбинация факторов?» — сказал Чуэ. «Здесь мы не просто хотели определить лучший рецепт для создания хорошей батареи; мы хотели понять, как и почему она работает. Это понимание имеет решающее значение для нахождения наилучшего баланса между производительностью батареи и эффективностью производства».