В то время как бензобаки можно заполнить за считанные минуты, зарядка аккумулятора электромобиля занимает гораздо больше времени. Чтобы выровнять игровое поле и сделать электромобили более привлекательными, ученые работают над технологиями быстрой зарядки.

«Быстрая зарядка очень важна для электромобилей» , — сказал специалист по аккумуляторам Даниэль Абрахам из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Мы хотели бы иметь возможность заряжать аккумулятор для электромобиля менее чем за 15 минут, и даже быстрее, если возможно. »

«Увидев, как именно литий распределяется в электроде, мы обретаем способность точно определять неоднородный способ старения батареи», — Дэниел Абрахам, специалист по аргоннской батарее

Основная проблема с быстрой зарядкой возникает при транспортировке ионов лития от положительного катода к отрицательному аноду. Если батарея заряжается медленно, ионы лития, извлеченные из катода, постепенно прорезаются между плоскостями атомов углерода, из которых состоит графитовый анод — процесс, известный как интеркаляция лития.

Но когда этот процесс ускоряется, литий может осесть на поверхности графита в виде металла, который называется литиевым покрытием. «Когда это происходит, производительность батареи резко ухудшается, потому что покрытый литием не может быть перемещен с одного электрода на другой», — сказал Абрахам.

По словам Абрахама, этот металлический литий будет химически уменьшать электролит батареи, вызывая образование межфазной фазы твердого электролита, которая связывает ионы лития, поэтому они не могут быть перемещены между электродами. В результате со временем в аккумуляторе может сохраняться меньше энергии.

Чтобы изучить движение ионов лития в батарее, Авраам установил партнерские отношения с постдокторским исследователем Кофи Пьером Яо и аргонским рентгеновским физиком Джоном Окасински в лаборатории Advanced Photon Source, Учебном центре Министерства науки США. Там Okasinski по существу создал 2D изображение батареи, используя рентгеновские лучи, чтобы отобразить каждую фазу литированного графита в аноде.

Получив эту точку зрения, исследователи смогли точно определить количество лития в разных областях анода во время зарядки и разрядки аккумулятора.

В ходе исследования ученые установили, что литий накапливается в областях, более близких к сепаратору аккумулятора, в условиях быстрой зарядки.

«Можно ожидать, что это просто из здравого смысла», объяснил Авраам. «Но, увидев, как именно литий распределяется внутри электрода, мы обретаем способность точно определять неоднородный способ старения батареи».

Чтобы выборочно видеть конкретную область в сердце батареи , исследователи использовали метод, называемый энергодисперсионной рентгеновской дифракцией. Вместо того, чтобы изменять угол луча для достижения определенных областей интереса, исследователи варьировали длину волны падающего света.

Используя рентгеновские лучи, ученые Аргонны смогли определить кристаллические структуры, присутствующие в графитовых слоях. Поскольку графит является кристаллическим материалом, введение лития вызывает расширение графитовой решетки в различной степени. По словам Окасинского, это разбухание слоев заметно как разница в дифракционных пиках, а интенсивность этих пиков дает содержание лития в графите.

В то время как это исследование сосредоточено на маленьких батарейках типа «таблетка», Окасински сказал, что в будущих исследованиях может быть изучено поведение литиевых батарей в батареях больших размеров, например, в смартфонах и электромобилях.

Документ, основанный на исследовании «Количественная оценка градиентов концентрации лития в графитовом электроде литий-ионных элементов с использованием дисперсионной рентгеновской дифракции от Operando», появился в онлайновом выпуске журнала » Energy and Environmental Science » от 9 января .