Яркость частиц батареи: новый взгляд на заряд

Инженеры из Университета Пердью разработали инновационный метод оценки состояния заряда литий-ионных аккумуляторов, используя простую оптическую технику. Наблюдая за тем, как отдельные частицы внутри батареи становятся ярче по мере зарядки, исследователи получают более полную картину ее работоспособности и безопасности.

«Работа любой батареи основана на миллионах химических реакций, происходящих на уровне отдельных частиц, — поясняет профессор машиностроения Кецзе Чжао. — Их характеристика представляет собой механическую и электрохимическую задачу».

В лаборатории Чжао применяются различные инструменты для преодоления разрыва между механикой и электрохимией с целью создания более совершенных батарей. Одним из таких инструментов стала обычная RGB-камера.

«Недавно было обнаружено, что отдельные частицы в электроде батареи становятся ярче при зарядке, — отмечает Чжао. — Наш прорыв заключается в том, что мы можем анализировать сотни частиц одновременно и использовать их яркость для определения равномерности распределения заряда по всему электроду».

Эксперимент проводился с литий-ионным аккумулятором типа «таблетка», помещенным в перчаточный бокс с инертным газом (литий летуч при контакте с воздухом). Команда Чжао направила простой оптический микроскоп на группу из 100–1000 частиц. При медленной зарядке батареи велась покадровая видеосъемка этой группы частиц на протяжении нескольких часов. Анализируя уровень яркости каждой частицы, ученые смогли построить чрезвычайно точную пространственную модель равномерности заряда батареи.

«Удивительно, что для этого процесса не требуются мощные инструменты — достаточно обычного оптического микроскопа и камеры, — говорит Чжао. — Фокусировка изображения даже не важна, так как уровни яркости стабильно обеспечивают точные данные в любом случае».

С помощью обработки изображений и анализа данных команда получила ценную информацию о структуре и работе батарей. «В настоящее время единственным способом контроля качества частиц батареи является их заводской осмотр, — поясняет Чжао. — Однако, наблюдая оптически за процессом их зарядки во времени, мы получаем более точное представление. Мы установили прямую математическую корреляцию между оптической яркостью частиц и общим состоянием заряда батареи».

Это важно, поскольку процесс зарядки и разрядки батареи зависит от ее неоднородности, то есть от равномерности распределения частиц по электроду. Если заряд сконцентрирован в одном месте, батарея с большей вероятностью будет деградировать, выходить из строя или даже загорится.

«Даже на уровне частиц скопления заряда могут приводить к локальным дефектам, снижению производительности и, в конечном итоге, к тепловому разгону», — предупреждает Чжао.

Хотя эксперименты Чжао были сосредоточены на оксидах лития, никеля, марганца и кобальта (NMC), он отметил, что данный оптический метод успешно применяется для многих электродных материалов, таких как оксид лития-кобальта, графит и другие, благодаря изменению электропроводности при зарядке и разрядке. Это означает, что данный метод характеризации может быть использован для любых типов аккумуляторных составов в будущем.

«Диагностика батарей всегда была сложной задачей, — заключает он. — Наблюдение за их поведением в активном состоянии зарядки или разрядки предоставляет гораздо больше информации, чем анализ в статическом состоянии. Мы доказали теоретическую основу, и теперь можем уверенно использовать оптические микроскопы для анализа современных батарей и разработки научных основ для будущих аккумуляторных технологий».