Новое достижение в сверхбыстрой зарядке литий-ионных батарей

Литий-ионные аккумуляторы доминируют среди источников питания электромобилей. Они также считаются предпочтительными для вилочных электропогрузчиков, напольной складской техники. Быстрота зарядки, высокая плотность энергии, безопасность, длительный срок службы – основные требования к литиевым аккумуляторам в машиностроительной отрасли. Ученых особенно интересует возможность почти мгновенно заряжать литий-ионные батареи, чтобы процесс зарядки длился не больше заправки топливного бака.

Основные проблемы сверхбыстрой подзарядки

Сверхбыстрая зарядка дает возможность подзарядить литий-ионную батарею за 10 минут до 70–80% SoC. Зарядные токи при этом находятся в диапазоне 5С–10С (где С – номинальная емкость аккумулятора в А·ч). Основная проблема сверхбыстрой зарядки связана с осаждением лития на графитовых электродах, что способствует сокращению срока службы. Кроме того, сверхскоростная подзарядка Li-ion батарей требует соблюдения ряда условий:

• Она должна применяется только на первом этапе зарядного процесса. Ток заряда следует снизить при достижении 70% SoC.
• Аккумулятор должен находиться в хорошем состоянии. Он также должен быть рассчитан производителем на сверхбыструю подзарядку.

• Все ячейки аккумуляторной батареи должны быть сбалансированы, а их сопротивление должно сверхнизким. Стареющие ячейки часто различаются по сопротивлению и емкости, в результате чего более слабые ячейки подвергаются сильной нагрузке и перегреваются.
• Литий-ионные батареи не следует сверхбыстро заряжать при отрицательных температурах, поскольку химические реакции замедляются. Из-за этого усиливается выделение газов, осаждение металлического лития и нагрев.

Разработка нового подхода с использованием связующего материала

Исследователи из JAIST (Японский передовой институт науки и технологии) под руководством профессора Нориоши Мацуми синтезировали уникальный водный полиэлектролитный связующий материал на основе бората лития.

Инновационное связующее вещество улучшает диффузию ионов Li+ через пленку SEI и в активном материале анода, а также повышает стабильность ячеек. Улучшенная диффузия ионов Li+ снижает осаждение лития на графите. В результате литиевые аккумуляторы могут заряжаться со значительной скоростью без сокращения срока службы. Кроме того, благодаря улучшению диффузии ионов Li+, перенос заряда в электродах (графитовых анодах) усиливается.

В данном исследовании ученые использовали биополимер, полученный из кофейной кислоты – экологически чистого ароматического органического соединения, содержащегося в растениях. Использование воспроизводимых биологических ресурсов делает производство литиевых аккумуляторов более экологичным.