У литий-ионных аккумуляторов обнаружили новые свойства

То, что никель-кадмиевые аккумуляторы – с так называемым «эффектом памяти», известно давно. Напомним, что он заключается в том, что теряется емкость, если нарушен режим зарядки.

Источник питания, часто заряжаемый тогда, когда владелец не дождется полной разрядки, «запоминает», что его ресурс был задействован не сполна. И потому в следующий раз разряжается раньше. В аккумуляторе заряд остается, но напряжение слишком низкое. Оно не обеспечивает работу электроприборов.

Этим можно объяснить тот факт, что никель-кадмиевые элементы стали заменять литий-ионными. Считалось, что они не обладают негативным эффектом. Однако исследование ученых из швейцарского Института Пауля Шеррера и ученых из научно-исследовательской лаборатории Toyota показало, что это ошибочное утверждение.

Аккумуляторные батареи с катодом из литий-феррофосфата, наиболее распространенные сейчас, почти так же «злопамятны», как и их предшественники. Никель-кадмиевые элементы отличаются от литий-ионных тем, что они болезненно реагируют, если процесс зарядки будет прерван. Ученым удалось зафиксировать снижение эффективности элементов при неправильном использовании. Они также установили причину такого явления.

Материал электродов – литий-фосфат железа представляет собой множество микроскопических частиц. Они заряжаются и разряжаются по очереди. Так частицы освобождают ионы лития и, в конце концов, состоят лишь из фосфата железа. Когда разряжаются, то наоборот захватывают свободные ионы. Так они восстанавливают первоначальный состав.

Во время зарядки все время возрастает электрохимический потенциал. В определенный момент он достигает предела. И тогда частицы быстро освобождаются от оставшихся ионов. Однако суммарное напряжение батареи остается прежним.

Прерывание зарядки на полпути приводит к тому, что на поверхности катода останутся частицы. Они не успевают освободиться от своих ионов. Поскольку микроструктура батареи особая, то при разрядке такие частицы мешают свободным ионам возвратиться на свои места. Вот так емкость элемента снижается.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Materials. Поскольку сейчас развиваются гибридные и электрические автомобили, в которых широко применяются литий-ионные элементы, то такие исследования становятся особенно важными.