Батарея телефона постоянно «дышит» и это движение может вывести её из строя

Фото из открытых источников

Каждый раз, когда заряжается телефон или отключается электромобиль от сети, внутренние детали батареи незаметно расширяются и сжимаются. За тысячи циклов это движение суммируется. Согласно новым исследованиям, это механическое «дыхание» незаметно деформирует батареи изнутри, ослабляя их до тех пор, пока они не выйдут из строя.

Это открытие помогает объяснить давнюю загадку в энергетической науке: почему даже хорошо спроектированные батареи неизбежно и неуклонно теряют емкость, независимо от того, насколько бережно они используются.

Эта работа стала результатом сотрудничества исследователей из Техасского университета в Остине, Северо-восточного университета, Стэнфордского университета и Аргоннской национальной лаборатории. Результаты их исследований были опубликованы в журнале Science.

Все типы батарей со временем изнашиваются. Инженеры до сих пор не до конца понимают, как микроскопические изменения приводят к макроскопическому отказу.

Новые исследования указывают на процесс, называемый химико-механической деградацией. Каждый цикл зарядки выталкивает ионы лития в электроды батареи. Разрядка вытягивает их обратно. Это химическое движение вызывает физическое напряжение.

«С каждым „вдохом“ батареи происходит необратимое изменение параметров», — говорит руководитель исследования Ицзинь Лю из Техасского университета в Остине. «Этот эффект накапливается со временем, в конечном итоге приводя к выходу элемента из строя».

Представьте, что вы сгибаете скрепку. Один изгиб ничего не даст. Тысяча изгибов сломает её пополам.

Исследователи обнаружили нечто новое в этом переполненном микроскопическом мире: каскады напряжений.

Эти каскадные процессы происходят, когда напряжение накапливается в одной области электрода и распространяется наружу, вызывая повреждения в других местах. Это больше похоже не на равномерное растяжение, а на трещину, распространяющуюся по льду.

«Мы смогли увидеть, что каждая частица ведет себя по-разному под воздействием электрохимического напряжения», — говорит соавтор исследования Джунер Чжу из Северо-восточного университета. «Некоторые частицы движутся быстро, как падающие звезды на небе, в то время как другие остаются относительно стабильными. Такое неравномерное поведение создает локальное напряжение, которое может привести к трещинам и другим повреждениям».

Это неравномерное движение имеет значение. Когда одна частица быстро перемещается, а ее соседи — нет, возникает механическое напряжение. Со временем эти зоны напряжения разрушаются. Образуются трещины, и электрические пути естественным образом разрываются.

Как только это начинается, деградация ускоряется.

Используя передовые методы визуализации, такие как рентгеновская микроскопия в режиме реального времени и 3D-рентгеновская ламинография, исследователи получали изображения электродов в режиме реального времени во время зарядки и разрядки. Эти методы позволяют ученым заглянуть внутрь неповрежденных батарей, не разрезая их пополам и не внося в них никаких физических изменений.

Этот подход отражает более широкую тенденцию в материаловении. За последнее десятилетие исследователи все чаще полагаются на методы «operando» — изучение материалов в процессе их функционирования, а не после разрушения. Этот сдвиг уже преобразил такие области, как катализ и исследования полупроводников.

В аккумуляторных батареях он демонстрирует не меньшую эффективность.

Первые признаки такого «дыхательного» поведения появились неожиданно, когда команда изучала совершенно другое устройство: коммерческие беспроводные наушники. Крошечные батарейки внутри них показали те же механические напряжения, что и в более крупных элементах.

Деградация батарей — это не просто неудобство. Это узкое место для климатических технологий.

Электромобили зависят от батарей, которые должны выдерживать многолетнюю ежедневную зарядку. Энергетические сети, использующие возобновляемые источники энергии, зависят от систем хранения, которые постоянно циклически перезаряжаются. Короткий срок службы батарей увеличивает затраты, приводит к увеличению отходов и замедляет внедрение экологически чистых технологий, в которых мир так остро нуждается.

Определив, как и где накапливается механическое напряжение, новое исследование предлагает практические рекомендации для разработчиков батарей.

Например, команда исследователей предполагает, что применение тщательно контролируемого давления к элементам батареи может помочь ограничить разрушительную деформацию. Инженеры также могли бы перепроектировать электроды таким образом, чтобы частицы двигались более равномерно, уменьшая каскады деформаций еще до их начала.

«Наша конечная цель — создание передовых технологий, которые могут существенно повысить полезность и долговечность батарей», — говорит соавтор исследования Джейсон Крой из Аргоннской национальной лаборатории. «Понимание того, как конструкция электродов влияет на их реакцию на нагрузку, является критически важным шагом на пути к расширению границ возможностей батарей».

Новые данные не заменяют более ранние объяснения деградации батарей. Температура по-прежнему ускоряет химическое разрушение. Слишком быстрая зарядка по-прежнему способствует осаждению лития. Высокое напряжение по-прежнему выводит электролиты за пределы их допустимых значений. Но механическое напряжение может усиливать все эти эффекты, создавая трещины, изолируя частицы и нарушая электрические цепи.

Исследования в области аккумуляторных батарей часто сосредоточены на новых материалах, электролитах и химических реакциях. Это исследование напоминает нам, что физика имеет не меньшее значение.

Батарея — это не неподвижный ящик. Это динамическая система, постоянно движущаяся в масштабах, слишком малых для наблюдения невооруженным глазом.

Рассматривая батареи как механические организмы, стареющие с каждым вдохом, ученые переосмысливают знакомую проблему. Следующий шаг, по словам исследователей, — разработка теоретических моделей, которые более тесно связывают химические реакции и механическое напряжение.

Если им это удастся, будущие батареи, возможно, всё ещё будут деформироваться, но не будут медленно разрушаться. А если эта цель слишком амбициозна, то батареи, по крайней мере, прослужат дольше. Каждая минута на счету.

В некоторых случаях это может стать решающим фактором между энергетическими системами, которые просто работают, и теми, которые действительно прослужат долго.