Известно, что никель-кадмиевые аккумуляторы обладают так называемым «эффектом памяти», который заключается в потере емкости при нарушении режима зарядки. Если такой источник питания часто заряжать, не дождавшись полной разрядки, он как будто запоминает, что его ресурс был задействован лишь частично, и в следующий раз разряжается раньше. При этом в аккумуляторе все еще остается заряд, но напряжение слишком низкое, чтобы обеспечить работу электроприборов.
В конце XX века никель-кадмиевые элементы постепенно заменили литий-ионные, которые, как считалось, не обладают негативным эффектом. Но новое совместное исследование ученых из швейцарского Института Пауля Шеррера и их японских коллег из научно-исследовательской лаборатории Toyota показало, что это было заблуждением.
Наиболее распространенные аккумуляторные батареи с катодом из литий-феррофосфата оказались почти так же «злопамятны», как и их предшественники. Но в отличие от никель-кадмиевых элементов литий-ионные болезненно реагируют на прерванный процесс зарядки.
Авторы работы не только зафиксировали снижение эффективности элементов при неправильном использовании, но и установили причину этого явления.
Материал электродов – литий-фосфат железа (LiFePO4) – состоит из большого количества микроскопических частиц, которые заряжаются и разряжаются по очереди, одна за другой. В процессе зарядки частицы освобождают ионы лития и в результате состоят только из фосфата железа. Разряжаясь, они, наоборот, захватывают свободные ионы, восстанавливая первоначальный состав. Во время зарядки постоянно возрастает электрохимический потенциал, который в определенный момент достигает предельного значения, при котором частицы ускоренно освобождаются от оставшихся ионов, но при этом суммарное напряжение батареи не меняется. Если прервать зарядку на полпути, то на поверхности катода останутся частицы, которые не успели освободиться от своих ионов. Из-за особой микроструктуры батареи при разрядке такие частицы будут мешать свободным ионам вернуться на свои места, а значит, емкость элемента снизится.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Materials, особенно актуальны в свете развития гибридных и электрических автомобилей, в которых широко применяются литий-ионные элементы. Условия эксплуатации батарей в таких транспортных средствах далеки от идеальных. Так, в некоторых моделях аккумулятор частично подзаряжается во время торможения, когда двигатель выполняет роль генератора. Помимо этого, при сбое нормального цикла зарядки и разрядки нарушается корреляция между напряжением и уровнем заряда, поэтому становится сложно определить реальный запас энергии. В качестве решения проблемы ученые видят два пути: изменить принципы работы систем управления батареями или разработать новые аккумуляторы с увеличенной поверхностью катодов.
