Петък, 15 Юли 2011 14:00

Защо литиево-йонните батерии умират толкова млади?

От
Литиево-йонна батерия

Краят на една батерия: закономерно и познато. В телефони, лаптопи, камери и сега електрически коли, този процес е мъчителен и - ако сте късметлии - бавен. Няма такова нещо като мъчителна и бавна смърт - но всъщност при батериите от наша гледна точка има, защото покупката на нова батерия се отлага във времето, ако агонията на старата е по-дълга (стига нивото й на производителност да е все пак приемливо). С годините, литиево-йонната батерия, някога захранвала машината ви с часове (дори с дни!) ще започне постепенно да 'издиша" откъм капацитет [за задържане на заряда]. В крайна сметка ще се стигне и до покупката на нова и някой известен собственик на компания може да отнесе някоя и друга ваша псувня, но ако се замислите, горката батерия просто си има жизнен цикъл и не е направена да ви служи вечно...

Но всъщност защо се случва това? Какво точно става в батерията, че тя да 'издъхне'? Краткият отговор е, че повредите от продължително излагане на високи температури и голям брой цикли на зареждане/разреждане в крайна сметка започва да разрушава процеса на преминаване на литиевите йони между електродите.

Дългият отговор, който ще ни преведе през описание на нежелани химически реакции, корозия, заплахата на високите температури и други влияещи на производителността фактори, започва с обяснението за случващото се в една презареждаема литиево-йонна батерия, когато всичко работи добре.

Литиево-йонна батерия 101

В една типична литиево-йонна батерия има катод (или положителен електрод), изработен от литиево-метален оксид, като литиево-кобалтов оксид. Има и анод (или отрицателен електрод), който в днешно време е основно графит. Тънък, порест сепаратор отделя двата електрода с цел предотвратяване на късо съединение. А електролит, изработен от органични разтворители и базирани на литий соли, се грижи за преминаването на литиевите йони през клетките.

По време на зареждане, електрическият заряд принуждава литиевите йони да се движат от катода към анода. При разреждане (или иначе казано, когато използвате батерията), йоните се връщат обратно към катода.

Даниел Ейбрахам, учен от Argonne National Laboratory, осъществяващ проучване на начина, по който литиево-йонните клетки деградират, сравнява този процес с вода в хидрофорна система. Придвижването на водата нагоре изисква енергия, но тя тече свободно надолу. Всъщност, тя осигурява (кинетична) енергия, казва Ейбрахам. Подобно, литиево-кобалтовият оксиден катод "не иска да си дава лития". Като при движението на водата нагоре (напор), е нужда енергия за пренасяне на литиевите атоми от оксида и зареждането им в анода.

По време на зареждане йоните принудително преминават между листове от графен, които изграждат анода. Но както Ейбрахам го представя, "те не искат да са там. Когато имат възможност, те се връщат", като водата, която поема естествено надолу, когато няма напор. Това е разреждане. Според Ейбрахам, дълго издържаща батерия ще 'преживее' хиляди от тези цикли на зареждане/разреждане.

Кога една батерия е 'истински мъртва'?

Когато говорим за 'мъртви' батерии, е важно да разбираме два параметъра на производителността: енергия и мощност. За някои приложения, нивото, на което енергията излиза от батерията е много важно. Това е мощност. В електромобилите, високата изходна мощност позволява както много бързо ускоряване, така и регенериращо спиране, при което батерията трябва да приеме заряд в рамките на няколко секунди.

При мобилните телефони, от друга страна, високата мощност не е толкова важна, колкото капацитета или иначе казано колко енергия задържа батерията. Батериите с по-висок капацитет издържат по-дълго с едно зареждане.

С времето батерията дегенерира по много различни начини, които могат да се отразят и на мощността, и на капацитета, докато просто се стигне до там батерията да спре да изпълнява основните си функции.

Да направим друга водна аналогия: Зареждането на батерия е като пълнене на кофа с вода от кран. Обемът на кофата представлява енергията на батерията (капацитета). Скоростта, с която се пълни - чрез отвъртане на крана до края или оставяйки го само да капе — е мощността. Но времето, високите температури, интензивната цикличност и други фактори в крайна сметка отварят дупка в кофата...

При аналогията с кофата, водата започва да се процежда. В една батерия, литиевите йони просто 'биват заключени', казва Ейбрахам. Заключението е, че те са възпрепятствани да се движат между електродите. Така след няколко месеца, мобилният телефон, първоначално нуждаещ се от зареждане през няколко дена, сега се иска енергия всеки ден. След това два пъти дневно. И накрая, след твърде много литиеви-йони са 'ограничени', батерията няма да държи достатъчно заряд, за да изпълнява функцията си. Кофата ще престане да задържа вода...

Защо това се случва?

Ами, в допълнение към химическите реакции, които искаме да се случват в батерията, има и странични реакции. Възникват бариери, които възпрепятстват движението на литиевите йони. Така електрическата кола, която е набирала до 100 км/ч да речем за пет секунди, след няколко години ще го прави за 8 секунди и може би дори за 12 секунди след 5 години. "Цялата енергия си е все още там, но не може да бъде доставяна с необходимата бързина", обяснява Ейбрахам. Йоните се блъскат в прегради.

Какво се поврежда и защо?

Активната част от катода (източникът на йони в батерията) е разработена с определена атомна структура, за постигане на стабилност и производителност. Когато йоните се изпращат към анода и след това връщат в катода, в идеалния случай искаме те да се върнат на същото място, за да може да се запази тази хубава стабилна кристална структура.

Проблемът е, че кристалната структура може да се променя с всяко зареждане и разреждане. Йон от апартамент А не се прибира непременно у дома, а вместо това може да се напъха в апартамент Б. Обитавалият апартамент Б йон обаче намира къщата си заета и 'без да се заяжда' просто влиза в първото свободно място. И така нататък.

Постепенно тези 'фазови промени' в материала преобразуват катода в нова кристална структура с различни електрохимически свойства. Специфичното подреждане на атомите, което осигурява желаната производителност на първо място, е променено.

При хибридните автомобили, батериите, които са нужни само за осигуряване на енергия при ускорение или спиране, тези структурни промени стават много по-бавно, отколкото в електромобилите. Това е така, защото само малка част от литиевите йони в системата се придвижват в системата в рамките на един цикъл. В резултат, казва Ейбрахам, за тях е по-лесно да се върнат на първоначалните си места.

Проблемът корозия

Дегенерирането може да започне и в други части на батерията. Към всеки електрод има заряден колектор, който реално представлява парче метал (обикновено мед за анода, алуминий за катода), което събира електрони и ги пренася към външна верига. Това е нещо като 'каша' от 'активни' материали като литиево-кобалтов оксид (който е керамичен и не е особено добър проводник), плюс подобна на лепило лента, с която е боядисано това парче метал.

Ако лентата се повреди, покритието от зарядния колектор може да започне да пада. Ако металът кородира, не може да пренася електрони толкова ефективно, колкото е необходимо.

Корозията вътре в клетка на батерията може да се получи от взаимодействието между електролита и електродите. Графитният анод е високо "редуциращ", което означава, че лесно отдава електрони към електролита. Това може да произведе нежелано покритие върху графитната повърхност. Катодът, междувременно, е силно "окисляващ", което означава, че лесно приема електрони от електролита, който в някои случаи може да предизвика корозия в алуминиевия заряден колектор или да образува покритие върху части от катода, казва Ейбрахам.

Много добре не е на добре

Графитът — който обикновено се използва за направа на катод — е термодинамично нестабилен в органичните електролити. Това означава, че първият път, когато заредим батерията, графитът реагира с електролита. Това образува порест слой (нарича се плътна електролитна интерфаза (SEI)), който всъщност защитава анода от бъдещи атаки. Тази реакция обаче изразходва малко количество литий. Така че в идеалния случай, тази реакция ще протича веднъж, за да създаде защитен слой и толкова.

Реално, обаче, SEI е доста несигурен защитник. Пази добре графита при стайни температури, казва Ейбрахам, но при високи температури или когато батерията се изтощава докрай ("дълбок цикъл"), SEI може частично да се разтвори в електролита. (При високи температури, електролитите са податливи и на декомпозиране и страничните реакции се ускоряват.)

При възстановяване на по-добрите условия, ще се образува друг защитен слой, но това ще изразходва също така литий, което ни връща на проблема с течащата кофа. С други думи, ще трябва да презареждаме нашия мобилен телефон, например, по-често.

Но, колкото и да се нуждаем от тази SEI за защита на графитния анод, много добре не е на добре. Ако слоят се изтъни прекомерно, реално се превръща в бариера за литиевите йони, които ние искаме да се движат напред назад свободно. Това влияе на производителността, която е, по думите на Ейбрахам, "изключително важна" за електрическите коли.

Създаване на по-добри батерии

Но какво може да се направи, за да издържат повече батериите ни? В лабораторията, изследователите търсят електролитни добавки, които да функционират като витамини в диета, осигурявайки по-добра производителност и по-дълъг живот на батерията с намаляване на вредните реакции между електродите и електролита, твърди Ейбрахам. Те също така търсят нови, по-стабилни кристални структури за електродите, както и по-стабилни спойки и електролити.

Междувременно, инженерите в компаниите за електрически коли и батерии работят по комплекти батерии и системи за топлинно управление в опит да запазят литиево-йонните клетки в константен и комфортен за тях температурен диапазон. Като потребители, останалата част от нас може да избягва екстремни температури и дълбоки цикли и засега да продължаваме да се оплакваме от батериите, които умират твърде бързо.

[От: GigaOM]

Прочетено 15960 пъти Последна корекция Събота, 28 Декември 2013 12:47
Мартин Хаджистойков

Този имейл адрес е защитен от спам ботове. Трябва да имате пусната JavaScript поддръжка, за да го видите.