Секрет долговечности батарей: как "дыхание" разрушает аккумуляторы

Исследователи из Техасского университета в Остине, Северо-Восточного университета, Стэнфордского университета и Аргоннской национальной лаборатории выявили ключевую причину деградации батарей, используемых в наших смартфонах и электромобилях. Этот прорыв приближает нас к созданию более быстрых, надежных и долговечных аккумуляторов.

Основная причина – циклические процессы зарядки и разрядки, которые заставляют батареи расширяться и сжиматься, подобно дыханию. Эти микроскопические движения деформируют компоненты аккумулятора, вызывая внутреннее напряжение и постепенно ослабляя его. Явление, известное как химмеханическая деградация, снижает производительность и срок службы батарей.

«При каждом «вдохе» батареи происходит необратимое изменение, – поясняет Ицзинь Лю, профессор Техасского университета в Остине и руководитель исследования. – Этот эффект накапливается со временем, в конечном итоге приводя к выходу устройства из строя».

Одним из главных открытий стало выявление «каскадов деформаций» – цепной реакции, при которой стресс, возникающий в одной части электрода, распространяется на соседние участки. Непредсказуемое поведение тысяч частиц внутри батареи усугубляет этот процесс.

«Мы обнаружили, что каждая частица ведет себя по-разному под электрохимическим напряжением, – говорит Джунер Чжу, один из соавторов исследования. – Одни частицы движутся стремительно, словно падающие звезды, другие остаются относительно стабильными. Это неравномерное поведение создает локальные напряжения, которые могут привести к образованию трещин и другим повреждениям».

Путь к более долговечным батареям

Понимание механизмов возникновения и распространения деформаций позволит инженерам создавать электроды, более устойчивые к нагрузкам и деградации. Исследование предполагает, что контролируемое давление на аккумуляторные ячейки может помочь снизить деформацию и повысить производительность.

«Наша конечная цель – разработка передовых технологий, которые значительно увеличат полезность и долговечность батарей, – отмечает Джейсон Крой, руководитель исследовательской группы в Аргоннской национальной лаборатории. – Понимание того, как конструкция электродов влияет на их реакцию на стресс, является критически важным шагом для расширения возможностей аккумуляторов».

Для получения этих данных исследователи использовали передовые методы визуализации, позволяющие наблюдать за электродами батарей в режиме реального времени во время зарядки и разрядки. С помощью операторной трансмиссионной рентгеновской микроскопии (TXM) и 3D-рентгеновской ламинографии были получены детальные изображения движения и взаимодействия частиц внутри электродов.

Первоначально этот динамический процесс был зафиксирован в устройстве, используемом для другого исследовательского проекта – коммерческих наушниках. В дальнейшем команда планирует разработать теоретические модели для более глубокого изучения сложных взаимодействий между химическими и механическими процессами в электродах батарей.