Прорыв в науке: ученые научились "омолаживать" аккумуляторы

Международный коллектив исследователей объявил о создании инновационных материалов, обладающих необычным свойством — нулевым тепловым расширением. Это позволяет практически полностью восстанавливать рабочее напряжение в стареющих литий-ионных аккумуляторах, существенно продлевая срок их службы.  

Проблема старения аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы с катодными материалами на основе слоистых оксидов, содержащих литий, в настоящее время являются одними из самых емких источников энергии. Их емкость достигает рекордных показателей свыше 300 миллиампер-часов на грамм активного вещества (мА·ч/г). Однако в процессе работы внутри таких батарей протекают сложные химические реакции, которые приводят к постепенному асимметричному искажению кристаллической решетки катода. Это структурное изменение является основной причиной падения рабочего напряжения аккумулятора, что, в свою очередь, ускоряет процесс его старения и снижает полезную емкость с течением времени. 

Неожиданное решение

Решение этой давней проблемы пришло совершенно неожиданно. Ученые обнаружили, что определенные материалы проявляют эффект отрицательного теплового расширения в диапазоне температур от 150 до 250 градусов Цельсия. Это означает, что вместо того, чтобы расширяться при нагревании, как большинство веществ, эти материалы сжимаются. Исследователи установили, что это необычное поведение связано с фазовым переходом в кристаллической структуре катода — переходом от состояния беспорядка к более упорядоченному состоянию, индуцированному повышением температуры. Самым важным стало то, что ученые научились контролировать этот процесс с высокой точностью. 

"Путем тщательной настройки химического состава и структуры материала мы можем управлять коэффициентом теплового расширения и переводить его из положительного в нулевое или даже отрицательное состояние в заданном температурном диапазоне", — объяснил один из авторов исследования, доктор Цю Бао. 

Успешная разработка

Результатом кропотливой работы международной команды стала разработка первой в мире катодной структуры, обладающей практически нулевым тепловым расширением в рабочем диапазоне температур аккумулятора. Это фундаментально повысило стабильность катодного материала и, как следствие, всего аккумулятора. В ходе экспериментов ученые обнаружили, что при подаче напряжения в 4,0 Вольт происходит внутренняя перестройка кристаллической решетки катода. Она возвращает материал в более упорядоченное состояние, что приводит к практически полному (почти на 100%) восстановлению рабочего напряжения аккумулятора, даже после длительного использования и значительного падения напряжения. 

По мнению авторов исследования, полученные результаты открывают захватывающие перспективы для создания принципиально новых "умных" зарядных систем. Они смогут автоматически инициировать процесс "термического восстановления" аккумулятора непосредственно во время его использования или в процессе подзарядки. Периодическое кратковременное нагревание аккумулятора до определенной температуры будет способствовать самовосстановлению его ключевых характеристик, что, по прогнозам ученых, может увеличить срок службы литий-ионных аккумуляторов как минимум вдвое.