Новая конструкция аккумулятора позволяет заряжать электромобиль за 10 минут
Исследователи обнаружили, что батареи, предварительно нагретые до 60 градусов Цельсия, могут выдержать чрезвычайно быстрый процесс зарядки
Ученые разработали литий-ионную батарею, которая заряжается при повышенной температуре, чтобы увеличить скорость реакции, но при этом сохраняется в холодном состоянии во время разряда, демонстрируя потенциал, позволяющий увеличить расстояние пробега до 400 километров при зарядки батареи всего за 10 минут.
В случае масштабирования проект является одной из потенциальных стратегий, позволяющих устранить опасения, связанные с тем, что электромобилям не хватает достаточной дальности пробега для безопасного достижения пункта назначения без остановки в середине пути. Исследователи из Университета штата Пенсильвания представили свою работу 30 октября в журнале Joule.
Ученые осознали необходимость разработки аккумуляторов электромобилей, способных заряжаться очень быстро, чтобы удовлетворить потребности водителей. Тем не менее, такая быстрая скорость зарядки потребовала бы, чтобы батарея быстро потребляла 400 киловатт энергии — подвиг, которого современные автомобили не могут совершить, потому что это может привести к литированию (образованию металлического лития вокруг анода), что серьезно ухудшит срок службы батареи.
В то время как обычные литиевые батареи заряжаются и разряжаются при одной и той же температуре, исследователи обнаружили, что они могут обойти проблему литиевого покрытия, заряжая батарею при повышенной температуры 60 градусов по Цельсию в течение нескольких минут, а затем разряжая ее при более низких температурах.
Чтобы сократить время нагрева ученые оснастили конструкцию литий-ионной батареи самонагревающейся никелевой структурой, которая разогревается менее чем за тридцать секунд.
Исследователи обнаружили, что батареи, предварительно нагретые до 60 градусов Цельсия, могут выдержать чрезвычайно быстрый процесс зарядки в течение 1700 циклов, в то время как контрольная батарея может выдерживать только 60 циклов.
При средней температуре заряда между 49 и 60 градусами Цельсия исследования не обнаружили литиевого покрытия. Ученые также заметили, что повышенная температура заряда значительно уменьшила охлаждение, необходимое для поддержания первоначальной температуры элемента: контрольная батарея вырабатывала 3,05 ватт-часа, в то время как батарея при 60 градусах Цельсия генерировала только 1,7 ватт-часов.
«В прошлом считалось, что ионно-литиевые батареи должны избегать работы при высоких температурах из-за проблем с ускоренными побочными реакциями», — говорят ученые. «Наше исследование показывает, что преимущества смягченного литиевого покрытия при повышенной температуре с ограниченным временем воздействия намного перевешивают негативное воздействие, связанное с обострением побочных реакций».
Исследователи отмечают, что технология полностью масштабируема, потому что все батареи основаны на промышленно доступных электродах; и они уже продемонстрировали ее использование в крупномасштабных элементах, модулях и батареях. Никелевая фольга увеличивает стоимость только на 0,47%, но поскольку конструкция исключает необходимость использования внешних нагревателей, используемых в современных моделях, она фактически снижает стоимость производства.
«Мы работаем над тем, чтобы зарядить энергоемкий аккумулятор электромобиля за пять минут, не повредив его», — говорят исследователи. «Для этого потребуются высокостабильные электролиты и активные материалы в дополнение к саморазогревающейся структуре, которую мы изобрели».
Joule, Yang and Liu et al.: «Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries» https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30481-7 DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.021