Badanie przeprowadzone w SLAC-Stanford Battery Center wykazało, że ładowanie akumulatorów litowo-jonowych wysokim prądem tuż przed opuszczeniem fabryki jest 30 razy szybsze i może wydłużyć żywotność akumulatorów o 50%.
Pierwsze ładowanie akumulatora litowo-jonowego jest ważniejsze, niż się wydaje. Określa, jak dobrze i jak długo akumulator będzie od tego momentu działał – w szczególności ile cykli ładowania i rozładowywania może wytrzymać, zanim ulegnie zniszczeniu.
W badaniu opublikowanym w Dżulbadacze z SLAC-Stanford Battery Center podają, że pierwsze ładowanie akumulatorów niezwykle wysokim prądem zwiększyło ich średnią żywotność o 50%, jednocześnie skracając czas początkowego ładowania z 10 godzin do zaledwie 20 minut.
Co równie ważne, badacze byli w stanie wykorzystać wyniki badań naukowych uczenie maszynowe w celu wskazania konkretnych zmian w elektrodach akumulatora, które odpowiadają za wzrost żywotności i wydajności – bezcenne informacje dla producentów akumulatorów, którzy chcą usprawnić swoje procesy i ulepszyć swoje produkty.
Badanie przeprowadził zespół SLAC/Stanford pod kierownictwem profesora Willa Chueha we współpracy z badaczami z Toyota Research Institute (TRI), Massachusetts Institute of Technology i Uniwersytet Waszyngtoński. Jest to część badań SLAC dotyczących zrównoważonego rozwoju i szerszych wysiłków mających na celu ponowne wyobrażenie sobie naszej przyszłości energetycznej z wykorzystaniem unikalnych narzędzi i wiedzy specjalistycznej laboratorium oraz partnerstw z przemysłem.
„To doskonały przykład tego, jak SLAC wykorzystuje naukę o produkcji, aby technologie krytyczne dla transformacji energetycznej stały się bardziej przystępne cenowo” – powiedział Chueh. „Rozwiązujemy prawdziwe wyzwanie, przed jakim stoi przemysł; co najważniejsze, od samego początku współpracujemy z przemysłem”.
Było to najnowsze z serii badań finansowanych przez TRI w ramach umowy o współpracy badawczej z Narodowym Laboratorium Akceleratorów SLAC Departamentu Energii.
Wyniki mają praktyczne implikacje dla produkcji nie tylko akumulatorów litowo-jonowych do pojazdów elektrycznych i sieci elektrycznej, ale także innych technologii, powiedział Steven Torrisi, starszy pracownik naukowy w TRI, który współpracował przy badaniach.
„To badanie jest dla nas bardzo ekscytujące” – powiedział. „Produkcja baterii jest niezwykle kapitałochłonna, energochłonna i czasochłonna. Przyspieszenie produkcji nowego akumulatora zajmuje dużo czasu, a optymalizacja procesu produkcyjnego jest naprawdę trudna, ponieważ składa się na to wiele czynników”.
Torrisi stwierdził, że wyniki tych badań „pokazują możliwe do uogólnienia podejście do zrozumienia i optymalizacji tego kluczowego etapu w produkcji akumulatorów. Co więcej, być może w przyszłości będziemy w stanie przenieść to, czego się nauczyliśmy, do nowych procesów, obiektów, sprzętu i składu chemicznego akumulatorów”.
„Gładka warstwa”, która jest kluczem do wydajności baterii
Aby zrozumieć, co dzieje się podczas początkowego cyklu pracy akumulatora, zespół Chueha buduje ogniwa woreczkowe, w których elektrody dodatnia i ujemna są otoczone roztworem elektrolitu, w którym jony litu poruszają się swobodnie.
Podczas ładowania akumulatora jony litu przepływają do elektrody ujemnej w celu przechowywania. Kiedy akumulator się rozładowuje, wypływają one z powrotem i przemieszczają się do elektrody dodatniej; powoduje to przepływ elektronów do zasilania urządzeń, z samochodów elektrycznych do sieci energetycznej.
Elektroda dodatnia nowo wyprodukowanej baterii jest w 100% wypełniona litem, powiedział Xiao Cui, główny badacz w zespole informatyki baterii w laboratorium Chueh. Za każdym razem, gdy akumulator przechodzi cykl ładowania i rozładowania, część litu ulega dezaktywacji. Minimalizacja tych strat wydłuża żywotność akumulatora.
Co dziwne, jednym ze sposobów zminimalizowania całkowitej utraty litu jest celowa utrata dużego procentu początkowej podaży litu podczas pierwszego ładowania akumulatora, powiedział Cui. To jak dokonanie małej inwestycji, która przynosi dobre zyski w przyszłości.
Ta strata litu w pierwszym cyklu nie poszła na marne. Utracony lit staje się częścią miękkiej warstwy zwanej interfazą stałego elektrolitu (SEI), która tworzy się na powierzchni elektrody ujemnej podczas pierwszego ładowania. W zamian SEI chroni elektrodę ujemną przed reakcjami ubocznymi, które przyspieszyłyby utratę litu i z czasem spowodowały szybszą degradację akumulatora. Właściwe ustawienie SEI jest tak ważne, że pierwszy ładunek nazywany jest ładunkiem formującym.
„Formowanie to ostatni etap procesu produkcyjnego”, powiedział Cui, „więc jeśli się nie powiedzie, cała wartość i wysiłek włożony do tego momentu w akumulator zostaną zmarnowane”.
Wysoki prąd ładowania zwiększa wydajność akumulatora
Producenci zazwyczaj pierwsze ładowanie nowych akumulatorów wykonują niskim prądem, wychodząc z teorii, że w ten sposób powstanie najsolidniejsza warstwa SEI. Ma to jednak wadę: ładowanie niskim prądem jest czasochłonne i kosztowne oraz niekoniecznie zapewnia optymalne rezultaty. Kiedy więc ostatnie badania wykazały, że szybsze ładowanie wyższym prądem nie pogarsza wydajności akumulatora, była to ekscytująca wiadomość.
Naukowcy chcieli jednak kopać głębiej. Prąd ładowania to tylko jeden z kilkudziesięciu czynników wpływających na powstawanie SEI podczas pierwszego ładowania. Testowanie wszystkich możliwych kombinacji w laboratorium w celu sprawdzenia, która z nich działa najlepiej, jest przytłaczającym zadaniem.
Aby ograniczyć problem do możliwych do opanowania rozmiarów, zespół badawczy wykorzystał naukowe uczenie maszynowe do określenia czynników najważniejszych dla osiągnięcia dobrych wyników. Ku ich zdziwieniu tylko dwa z nich – temperatura i prąd, jakim ładowany jest akumulator – wyróżniały się na tle pozostałych.
Eksperymenty potwierdziły, że ładowanie dużymi prądami ma ogromny wpływ, zwiększając żywotność przeciętnego testowego akumulatora o 50%. Dezaktywowała także znacznie wyższy procent litu z przodu – około 30% w porównaniu z 9% w przypadku poprzednich metod – ale okazało się, że ma to pozytywny wpływ.
Cui powiedział, że usunięcie większej ilości jonów litu z przodu przypomina trochę czerpanie wody z pełnego wiadra przed wyniesieniem. Dodatkowa przestrzeń w wiadrze zmniejsza ilość wody rozpryskującej się po drodze. W podobny sposób dezaktywacja większej liczby jonów litu podczas tworzenia SEI uwalnia przestrzeń nad elektrodą dodatnią i umożliwia bardziej wydajne cykle elektrody, poprawiając późniejszą wydajność.
„Brutalna optymalizacja metodą prób i błędów jest rutyną w produkcji – jak powinniśmy wykonać pierwsze ładowanie i jaka jest zwycięska kombinacja czynników?” powiedział Chueh. „W tym przypadku nie chcieliśmy tylko znaleźć najlepszego przepisu na dobrą baterię; Chcieliśmy zrozumieć, jak i dlaczego to działa. To zrozumienie ma kluczowe znaczenie dla znalezienia najlepszej równowagi między wydajnością baterii a wydajnością produkcji.
Odniesienie: „Analiza powstawania baterii oparta na danych ujawnia rolę wykorzystania elektrod w wydłużaniu żywotności cyklu” autorstwa Xiao Cui, Stephen Dongmin Kang, Sunny Wang, Justin A. Rose, Huada Lian, Alexis Geslin, Steven B. Torrisi, Martin Z. Bazant, Shijing Sun i William C. Chueh, 29 sierpnia 2024 r., Dżul.
DOI: 10.1016/j.dżul.2024.07.024
Badania te zostały sfinansowane przez Instytut Badawczy Toyoty w ramach programu Accelerated Materials Design and Discovery.
