Исследователи из швейцарского Института Пола Шеррера вместе с коллегами из Toyota Research в Японии обнаружили, что широко используемый тип литий-ионных аккумуляторов всё-таки подвержен негативному «эффекту памяти».

С тех пор как литий-ионные аккумуляторы в девяностых годах начали вытеснять никель-кадмиевые, о существовании «эффекта памяти» стали забывать. Долгое время считалось, что в аккумуляторах нового типа он полностью отсутствует. Однако проведённая недавно работа убедительно показала его наличие как минимум в самом распространённом виде АКБ – с катодом из литий-феррофосфата.

"Эффект памяти" в литий-ионном аккумуляторе при 50% уровне заряда (изображение: Nature)
“Эффект памяти” в литий-ионном аккумуляторе при 50% уровне заряда (изображение: Nature)

Как и в случае никель-кадмиевых аккумуляторов, «эффект памяти» приводит к тому, что цикл зарядки завершается преждевременно. Таким образом, фактически доступная ёмкость батареи оказывается существенно ниже расчётной.

Исследование крайне актуально в связи с увеличением доли рынка гибридных автомобилей и электромобилей, в которых литиевые батареи эксплуатируются в довольно жёстких условиях. Особенно это касается гибридных силовых установок, использующих каждый импульс торможения для быстрой подзарядки аккумуляторов током большой силы.

Помимо снижения ёмкости батареи у эффекта памяти есть и другое отрицательное последствие. Корреляция между напряжением и уровнем заряда смещается, поэтому точно определить состояние аккумулятора становится невозможно.

Даже небольшая ошибка в определении остаточной ёмкости батареи по изменению напряжения может привести к большой ошибке в работе электронной схемы её обслуживания в дальнейшем.

Соавтор исследования профессор Пётр Новак (фото: Scanderbeg Sauer)
Соавтор исследования профессор Пётр Новак (фото: Scanderbeg Sauer)

Как показало исследование, частые циклы неполной зарядки и последующего разряда приводят к возникновению отдельных «микроэффектов памяти», которые затем суммируются. Это происходит потому, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых становится далека от оптимальной в случае неполной зарядки.

Во время процесса заряда ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития.

Заряд батареи происходит на фоне возрастания электрохимического потенциала. В определённый момент он достигает предельного значения. Это приводит к ускорению высвобождения оставшихся ионов лития из катодного материала, но они уже не меняют суммарное напряжение батареи.

Если она не будет полностью заряжена, то на катоде останется некоторое число частиц, близких к пограничному состоянию. Они практически достигли барьера высвобождения ионов лития, но не успели его преодолеть.

При разряде свободные ионы лития стремятся вернуться на место и рекомбинировать с ионами феррофосфата. Однако на поверхности катода их также встречают частицы в пограничном состоянии, уже содержащие литий. Обратный захват затрудняется, и нарушается микроструктура электрода.

В настоящее время просматриваются два пути решения проблемы: внесение изменений в алгоритмы работы системы управления батареями и разработка катодов с увеличенной площадью поверхности.