Учёные зафиксировали расширение и сжатие аккумуляторов при зарядке

Исследователи обнаружили, что износ литий-ионных аккумуляторов смартфонов и других устройств связан не только с возрастом или количеством циклов зарядки, но и с внутренними физико-химическими процессами, которые ранее оставались скрытыми. Учёные смогли наблюдать аккумулятор изнутри и выяснили, что каждый цикл зарядки и разрядки запускает микроизменения, постепенно уменьшающие срок службы батареи, сообщает Science.

Литий-ионные батареи работают за счёт перемещения ионов между электродами: во время зарядки ионы внедряются в материал электрода, а при разрядке возвращаются обратно. Эти движения сопровождаются микроскопическим расширением и сжатием аккумулятора, что исследователи сравнивают с дыханием. Хотя отдельные изменения незаметны, их многократное повторение накапливает повреждения, постепенно снижая эффективность батареи.

Команда специалистов из Техасского университета в Остине, Северо-Восточного университета, Стэнфорда и Аргоннской национальной лаборатории показала, что постоянные колебания объёма приводят к химико-механическому износу. Даже минимальные деформации оставляют необратимые следы в структуре материалов. «Каждое "вдохновение" аккумулятора оставляет крошечное необратимое изменение. Само по себе оно почти незаметно, но со временем накапливается и снижает производительность батареи», — объяснил ведущий исследователь Ицзинь Лю.

Особое внимание учёные уделили эффекту «каскадов деформации». Электроды состоят из сотен тысяч микрочастиц, которые реагируют на зарядку по-разному. Неравномерные смещения создают локальные зоны напряжения, вызывая цепную реакцию повреждений и образование микротрещин. Аналогичные механизмы учитываются при разработке альтернативных аккумуляторов, включая натрий-ионные батареи.

Для прямого наблюдения за процессами внутри батареи исследователи применили рентгеновскую микроскопию и трёхмерную ламинаграфию, что позволило отслеживать движение частиц в реальном времени. Первые наблюдения проводились на аккумуляторах беспроводных наушников, но те же процессы были выявлены и в батареях ноутбуков и электромобилей.

Понимание того, где именно возникают внутренние напряжения и как они распространяются, открывает путь к улучшению конструкции аккумуляторов. Среди возможных решений — модификация структуры электродов и создание контролируемого давления внутри элементов. В будущем учёные планируют разработать модели, объединяющие химию и механику, которые помогут прогнозировать износ и создавать более долговечные, быстрые и стабильные аккумуляторы.

Читайте также: