Дослідження, проведене в SLAC-Stanford Battery Center, показало, що зарядка літій-іонних акумуляторів високим струмом безпосередньо перед тим, як вони залишають фабрику, відбувається в 30 разів швидше і може подовжити термін служби акумулятора на 50%.
Перша зарядка літій-іонної батареї важливіша, ніж здається. Він визначає, наскільки добре та як довго батарея працюватиме з цього моменту – зокрема, скільки циклів заряджання та розряджання вона може витримати, перш ніж зіпсується.
У дослідженні, опублікованому в Joule, дослідники SLAC-Stanford Battery Center повідомляють, що перша зарядка акумуляторів надзвичайно високими струмами збільшила їх середній термін служби на 50%, а час початкового заряджання скоротилося з 10 годин до 20 хвилин.
Не менш важливим є те, що дослідники змогли використати наукове машинне навчання, щоб точно визначити конкретні зміни в електродах акумулятора, які пояснюють це збільшення терміну служби та продуктивності. Це безцінне розуміння для виробників акумуляторів, які прагнуть оптимізувати свої процеси та вдосконалити свою продукцію.
Дослідження було проведено командою SLAC/Стенфордського університету під керівництвом професора Вілла Чуе у співпраці з дослідниками з Дослідницького інституту Toyota (TRI), Массачусетського технологічного інституту та Університету Вашингтона. Це частина дослідження сталого розвитку SLAC і ширших зусиль, спрямованих на переосмислення нашого енергетичного майбутнього, використовуючи унікальні інструменти та досвід лабораторії, а також партнерство з промисловістю.
«Це чудовий приклад того, як SLAC займається виробничою наукою, щоб зробити критичні технології для енергетичного переходу доступнішими», — сказав Чуе. «Ми вирішуємо реальну проблему, з якою стикається галузь; Важливо те, що ми співпрацюємо з промисловістю з самого початку».
Це було останнє в серії досліджень, фінансованих TRI згідно з угодою про спільні дослідження з Національною прискорювальною лабораторією SLAC Департаменту енергетики.
Результати мають практичне значення для виробництва не лише літій-іонних акумуляторів для електромобілів та електромереж, але й для інших технологій, сказав Стівен Торрісі, старший науковий співробітник TRI, який брав участь у дослідженні.
«Це дослідження дуже захоплююче для нас», — сказав він. «Виробництво акумуляторів вимагає великих капіталовкладень, енергії та часу. Щоб розгорнути виробництво нової батареї, потрібно багато часу, і оптимізувати виробничий процес дуже складно, тому що задіяно дуже багато факторів».
Торрісі сказав, що результати цього дослідження «демонструють узагальнений підхід до розуміння та оптимізації цього важливого кроку у виробництві акумуляторів. Крім того, ми, можливо, зможемо перенести те, що ми навчилися, на нові процеси, об’єкти, обладнання та хімію акумуляторів у майбутньому».
«М’який шар», який є ключовим для продуктивності акумулятора
Щоб зрозуміти, що відбувається під час початкового циклу батареї, команда Chueh створює пакетні елементи, в яких позитивний і негативний електроди оточені розчином електроліту, де іони літію рухаються вільно.
Коли акумулятор заряджається, іони літію надходять до негативного електрода для зберігання. Коли акумулятор розряджається, вони витікають назад і рухаються до позитивного електрода; це запускає потік електронів для живлення пристроїв, від електромобілів до електромережі.
Позитивний електрод нової батареї на 100% заповнений літієм, сказав Сяо Цуй, провідний дослідник групи інформатики акумуляторів у лабораторії Чуе. Щоразу, коли батарея проходить цикл заряджання-розряджання, частина літію дезактивується. Мінімізація цих втрат подовжує термін служби батареї.
Як не дивно, один зі способів мінімізувати загальну втрату літію — це навмисно втратити великий відсоток початкового запасу літію під час першого заряду батареї, сказав Цуї. Це як зробити невелику інвестицію, яка згодом принесе хороший прибуток.
Ця втрата літію в першому циклі недаремна. Втрачений літій стає частиною м’якого шару, що називається межфазою твердого електроліту, або SEI, який утворюється на поверхні негативного електрода під час першого заряду. Натомість SEI захищає негативний електрод від побічних реакцій, які можуть прискорити втрату літію та швидше розрядити батарею з часом. Правильний SEI настільки важливий, що перший заряд відомий як заряд формування.
«Формування є останнім кроком у виробничому процесі, — сказав Цуї, — тому, якщо він зазнає невдачі, уся цінність і зусилля, вкладені в батарею до цього моменту, будуть витрачені даремно».
Високий зарядний струм підвищує продуктивність акумулятора
Виробники зазвичай дають нові батареї першу зарядку малими струмами, вважаючи, що це створить найнадійніший шар SEI. Але є й недолік: заряджання при низьких струмах займає багато часу та коштує, і не обов’язково дає оптимальні результати. Отже, коли нещодавні дослідження показали, що швидша зарядка з більшою силою струму не погіршує продуктивність батареї, це була захоплива новина.
Але дослідники хотіли копнути глибше. Зарядний струм є лише одним із десятків факторів, які беруть участь у формуванні SEI під час першого заряду. Випробування всіх можливих комбінацій у лабораторії, щоб побачити, яка з них працює найкраще, є непосильним завданням.
Щоб зменшити проблему до керованого розміру, дослідницька група використала наукове машинне навчання, щоб визначити, які фактори є найважливішими для досягнення хороших результатів. На їхній подив, лише два з них – температура та сила струму, якими заряджається батарея – виділялися серед усіх інших.
Експерименти підтвердили, що зарядка високими струмами має величезний вплив, збільшуючи термін служби середньої тестової батареї на 50%. Він також дезактивував набагато більший відсоток літію на початку – близько 30%, порівняно з 9% у попередніх методах – але це виявилося позитивним ефектом.
Видалення більшої кількості іонів літію спереду схоже на зачерпування води з повного відра перед тим, як нести його, сказав Цуї. Додатковий простір у відрі зменшує кількість води, яка розбризкується по дорозі. Подібним чином дезактивація більшої кількості іонів літію під час формування SEI звільняє простір у позитивному електроді та дозволяє електроду працювати більш ефективно, покращуючи подальшу продуктивність.
«Оптимізація грубої сили методом проб і помилок є звичайною справою у виробництві. Як нам виконати першу зарядку та яка комбінація факторів є виграшною?» — сказав Чуе. «Тут ми не просто хотіли визначити найкращий рецепт для виготовлення якісної батареї; ми хотіли зрозуміти, як і чому це працює. Це розуміння має вирішальне значення для пошуку найкращого балансу між продуктивністю акумулятора та ефективністю виробництва».