Исследователи из Университета Южной Калифорнии работают над разработкой, чтобы препятствовать ухудшению структурной целостности литий-ионных батарей, что является одной из причин, которые приводят к снижению функциональности с течением времени.

Их решение состоит в том, чтобы ввести «растяжение» в материалы батареи, чтобы они могли многократно циклически работать без структурной усталости.

В статье, опубликованной в Journal of Mechanics and Physics of Solids, команда USC объясняет, что типичная батарея работает через повторяющийся цикл вставки и извлечения лиионов из электродов. Этот процесс расширяет и сжимает электродные массивы, и эти изменения объема со временем создают микротрещины, трещины и дефекты, что приводит к структурной деградации и снижению емкости аккумулятора.

«В конечном итоге нам нужно заменить эти батареи, которые не только дороги, но и истощают редкоземельные элементы, используемые в их производстве»,-говорится в пресс-релизе группы.

Чтобы препятствовать деградации, Делин Чжан, ведущий автор статьи, которая изучает интеркаляционные материалы-класс материалов, используемых в качестве электродов в литий-ионных батареях,-заранее растягивает эти интеркаляционные электроды. Это изменение начального напряженного состояния регулирует напряжения фазового преобразования, тем самым делая электроды более устойчивыми к разрыву или аморфизации, что означает, что они теряют свои кристаллические свойства.

Растягивая электроды перед зарядом/разрядом, исследователи изменили энергетический ландшафт, через который электрод перемещается из заряженного состояния в разряженное состояние. (Графика Делин Чжан, любезно предоставлено USC).

«Растягивая электроды перед зарядкой и разрядкой, мы меняем энергетический ландшафт, через который электрод переходит из заряженного состояния в разряженное состояние»,-сказал Чжан.

«Это начальное ограничение позволяет нам уменьшить энергетический барьер для этих преобразований и предотвратить разрушительные деформации сети, которые приводят к разрушению материала. Это изменение энергетического ландшафта помогает предотвратить микротрещины и трещины, защищая долговечность батареи и ее емкость хранения энергии».

По словам исследователя, дополнительным преимуществом этого подхода является то, что, растягивая электроды, батарея также может работать в более широком окне напряжения, что делает ее более эффективной в своей емкости хранения энергии.

Разработка Чжана также рассматривается как шаг к более безопасным и долговечным батареям, одновременно решая механические проблемы, связанные с легковоспламеняющимися жидкими электролитами, обычно используемыми в батареях, путем их замены твердыми материалами.

Соавтор Ананья Ренука-Балакришна объяснил, что твердые объекты могут со временем разрушаться при многократном стрессе, и сказал, что как только появится трещина, обе стороны поверхности потеряют контакт. В случае батареи, без соединения, трудно транспортировать ионы через материал.

По словам Ренуки-Балакришны, новизна этого подхода заключается в том, что вместо поиска нового материала для увеличения срока службы батареи становится возможным улучшить срок службы существующего материала, введя концепции фундаментальной механики.

«Механика не всегда была неотъемлемой частью разработки батарей»,-сказал Ренука-Балакришна. «Но теперь инженеры могут играть с этой теорией/инструментом, который создал Чжан, и работать над проектированием материалов для аккумуляторов».

Команда считает, что увеличение срока службы батареи будет полезно для пользователей электронных устройств и электромобилей, что позволит дольше использовать устройства и минимизировать замену батареи, тем самым экономя деньги и ресурсы с течением времени.