Ученые показали, почему загораются и взрываются аккумуляторы
Исследователям давно известно, что сильный электрические токи могут привести к «тепловому разгону» — цепной реакции, в результате которой батарея может перегреться, загореться и взорваться. Но в отсутствие надежного метода измерения токов внутри покоящегося аккумулятора было неясно, почему некоторые аккумуляторы переходят в режим тепловой разрядки, даже когда электромобиль стоит на стоянке.
Теперь, используя метод визуализации «рентгеновская микротомография в режиме операндо», ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли показали, что наличие больших локальных токов в батареях, находящихся в состоянии покоя после быстрой зарядки, может быть одной из причин теплового разгона.
Почему возникают сильные токи в отключенной батарее?
«Мы впервые получили 3D-изображения в реальном времени, измеряющие изменения состояния заряда на уровне частиц внутри литий-ионного аккумулятора после его зарядки», — сказал Ниташ П. Балсара, старший автор исследования.
В литий-ионном аккумуляторе анодная часть электрода состоит в основном из графита. Когда батарея заряжается медленно, ионы лития проникают между слоями графитовых листов в электроде. Напротив, при быстрой зарядке аккумулятора ионы лития имеют тенденцию осаждаться на поверхности графита в виде слоя металлического лития.
«То, что происходит после быстрой зарядки, когда батарея находится в состоянии покоя, немного загадочно», — говорит Балсара. — «Но метод, использованный в новом исследовании, позволил получить важные подсказки».
Обычный вольтметр покажет, что когда батарея выключена, отсоединена от зарядной станции и электродвигателя, общий ток в ней равен нулю.
Однако в новом исследовании исследовательская группа обнаружила, что после зарядки аккумулятора в течение 10 минут локальные токи в аккумуляторе в состоянии покоя (или токи внутри аккумулятора на уровне частиц) оказались на удивление большими.
Прибор для трехмерной микротомографии позволил исследователям точно определить, какие частицы внутри батареи были «выбросами», генерирующими тревожные плотности тока, достигающие 25 миллиампер на сантиметр квадратный. Для сравнения, плотность тока, необходимая для зарядки аккумулятора за 10 минут, составляла 18 миллиампер на сантиметр квадратный.
Исследователи также обнаружили, что измеренные внутренние токи существенно снижаются примерно через 20 минут. Для того чтобы использовать этот подход для разработки более совершенных протоколов безопасности, необходимо провести еще много работы. Но ясно уже сейчас, что быстрой зарядкой не все так хорошо, как полагали ее разработчики.