Чому літій-іонні батареї вмирають так рано?

Смерть батареї: ми бачили, як це відбувається. У телефонах, ноутбуках, фотоапаратах, а тепер і електромобілях процес болючий і — якщо пощастить — повільний. З роками, літій-іонний акумулятор, який колись живив ваші пристрої протягом кількох годин (і навіть днів!) поступово втрачає свою здатність утримувати заряд. Зрештою ви змиритеся, можливо, проклянете Стіва Джобса, а потім купіть нову батарею, а то й зовсім новий гаджет.

Але чому це відбувається? Що відбувається в батареї, що змушує її випустити дух? Коротка відповідь полягає в тому, що через шкоду від тривалої дії високих температур і великої кількості циклів зарядки і розрядки зрештою починає порушуватися процес переміщення іонів літію між електродами.

Більш детальна відповідь, яка проведе нас через опис небажаних хімічних реакцій, корозію, загрозу високих температур та інших факторів, що впливають на продуктивність, починається з пояснення того, що відбувається в літій-іонних акумуляторах, коли все працює добре.

Введення в літій-іонні акумулятори

У звичайній літій-іонній батареї ми знайдемо катод (або негативний електрод), зроблений з оксидів літію, таких як оксид літію з кобальтом. Ми також знайдемо анод або позитивний електрод, який сьогодні зазвичай виготовляється з графіту. Тонкий пористий сепаратор утримує два електроди один від одного для запобігання короткому замиканню. І електроліт, виготовлений з органічних розчинників та на основі солей літію, що дозволяє іонам літію переміщатися всередині комірки.

Під час заряджання електричний струм переміщує іони літію від катода до анода. Під час розрядки (тобто при використанні акумулятора) іони рухаються назад до катода.

Даніель Абрахам, вчений з Аргонського національної лабораторії, що веде наукові дослідження деградації літій-іонних елементів, порівняв цей процес з водою в системі гідроенергетики. Вода, що рухається вгору, вимагає енергії, але вона дуже легко тече вниз. Фактично вона постачає кінетичну енергію, каже Абрахам, схожим чином, літій-кобальтовий оксид у катоді «не хоче віддавати свій літій». Подібно до води, що рухається вгору, необхідна енергія, щоб перемістити атоми літію з оксиду і перемістити їх в анод.

Під час заряджання іони розміщуються між листами графіту, що входять до складу анода. Але, як висловився Абрахам, «вони не хочуть бути там, за першої нагоди вони рухатимуться назад», як вода тече вниз схилом. І це є розрядка. Довгоживуча батарея витримає кілька тисяч таких циклів заряджання.

Коли мертва батарея справді мертва?

Коли ми говоримо про «мертву» батарею, важливо зрозуміти дві метрики продуктивності: енергія та потужність. У деяких випадках дуже важливою є швидкість, з якої ви можете отримувати енергію з батареї. Це потужність. В електромобілях висока потужність уможливлює швидке прискорення, а також гальмування, при якому батареї потрібно отримати заряд протягом декількох секунд.

У стільникових телефонах, з іншого боку, висока потужність менш важлива, ніж ємність, або кількість енергії, яку може вмістити батарея. Батареї високої ємності працюють довше одного заряду.

З часом батарея деградує декількома способами, які можуть впливати і на ємність, і на потужність, поки вона просто не зможе виконувати базові функції.

Подумайте про це за іншою аналогією, пов'язаною з водою: заряджання акумулятора, як наповнення відра водою з-під крана. Об'єм відра є місткістю акумулятора, або ємністю. Швидкість, з якою ви можете наповнити його - повернувши кран на повну потужність або тоненьким струмком - це потужність. Але час, високі температури, множинні цикли та інші фактори, зрештою утворюють дірку у відрі.

В аналогії з цебром вода просочується. У батареї іони літію забираються, або «прив'язуються», каже Абрахам. У результаті вони позбавляються можливості переміщатися між електродами. Тому після кількох місяців мобільний телефон, який спочатку вимагав зарядки раз на пару днів, тепер необхідно заряджати кожну добу. Потім двічі на день. Зрештою, занадто багато іонів літію «прив'яжуться», і акумулятор не триматиме скільки-небудь корисного заряду. Відро перестане тримати воду.

Що ламається і чому

Активна частина катода (джерела іонів літію в батареї) розроблена з певною атомною структурою для забезпечення стабільності та продуктивності. Коли іони переміщаються до анода, а потім повертаються назад у катод, в ідеалі хотілося б, щоб вони повернулися на колишнє місце, щоб зберегти стабільну кристалічну структуру.

Проблема в тому, що кристалічна структура може змінюватись з кожною зарядкою та розрядкою. Іони з квартири А не обов'язково повернуться додому, але можуть вселитися у квартиру B по сусідству.Тоді іон із квартири B знаходить своє місце зайнятим цим бродягою і, не вступаючи в конфронтацію, вирішує оселитися далі коридором. І так далі.

Поступово ці «фазові переходи» в речовині перетворюють катод на нову кристалічну структуру кристала з іншими електрохімічними властивостями. Точне розташування атомів, що спочатку забезпечує необхідну продуктивність, змінюється.

У батареях гібридних автомобілів, які необхідні лише для подачі живлення, коли транспортний засіб прискорюється або гальмує, зазначає Абрахам, ці структурні зміни відбуваються набагато повільніше, ніж у електромобілях. Це з тим, що у кожному циклі у системі переміщається лише невелика частина іонів літію. В результаті їм легше повертатись на свої вихідні позиції.

Проблема корозії

Деградація може відбуватися і в інших частинах батареї. Кожен електрод з'єднаний з колектором струму, який є насправді шматком металу (зазвичай мідь для анода, алюміній для катода), яка збирає електрони і переміщає їх у зовнішній ланцюг. Отже, у нас є глина з такого «активного» матеріалу, як літій-кобальтовий оксид (який є керамікою і не є дуже хорошим провідником), а також клеєподібний сполучний матеріал, нанесений на шматок металу.

Якщо сполучний матеріал руйнується, це призводить до «лущення» поверхні колектора струму. Якщо метал роз'їдається, він може ефективно переміщати електрони.

Корозія в батареї може виникнути внаслідок взаємодії електроліту та електродів. Графітовий анод є «легковіддаючою», тобто. він легко «віддає» електрони електроліт.Це може призвести до небажаного покриття на поверхні графіту. Катод, тим часом, дуже «окислюваний», що означає, що він легко приймає електрони від електроліту, що в деяких випадках може роз'їдати алюміній колектора струму або формувати покриття на частинах катода, говорить Абрахам.

Занадто багато хорошого

Графіт - матеріал, що широко використовується для виготовлення анодів - термодинамічно нестійкий в органічних електролітах. Це означає, що з першої зарядки нашої батареї, графіт реагує з електролітом. Це створює пористий шар (званий твердим електролітним інтерфейсом або ТЕІ), що у результаті захищає анод від подальших атак. Ця реакція також споживає невелику кількість літію. В ідеальному світі ця реакція відбувалася б один раз, щоб створити захисний шар, і все закінчиться.

Насправді, ТЕІ є дуже нестабільним захисником. Він добре захищає графіт при кімнатній температурі, каже Абрахам, але за високих температур або коли заряд батареї знижується до нуля («глибокий розряд»), ТЕІ може частково розчинятися в електроліті. При високих температурах електроліти також мають тенденцію розкладатися і побічні реакції прискорюються.

Коли сприятливі умови повернуться, сформується інший захисний шар, але це з'їсть частину літію, призводячи до тих самих проблем, що й у дірявого відра. Нам доведеться заряджати наш мобільний телефон частіше.

Отже, нам потрібно ТЕІ для захисту графітового анода, і в такому разі хорошого може бути дуже багато. Якщо захисний шар занадто потовщується, він стає бар'єром для іонів літію, від яких потрібно вільно переміщатися вперед-назад.Це впливає на потужність, яка, як наголошує Абрахам, «надзвичайно важлива» для електромобілів.

Створюючи найкращі батареї

То що можна зробити, щоб продовжити життя наших батарей? Дослідники в лабораторіях займаються пошуком електролітичних добавок, які б функціонували подібно до вітамінів у нашому раціоні, тобто. дозволять батареї працювати краще та прожити довше за рахунок зменшення шкідливих реакцій між електродами та електролітом, каже Абрахам. Крім того, вони шукають нові, більш стабільні кристалічні структури для електродів, а також більш стабільні сполучні матеріали та електроліти.

Тим часом, інженери в компаніях, що виробляють батареї та електричні автомобілі, працюють над корпусами та термальними системами керування у спробі зберігати літій-іонні акумулятори у постійному, здоровому діапазоні температур. Нам, як споживачам, залишається уникати екстремальних температур і глибокої розрядки, а також продовжувати бурчати з приводу батарей, які, здається, завжди вмирають занадто швидко.

Чому вмирають акумулятори – п'ять причин

Експерти назвали п'ять причин виходу з експлуатації акумуляторної батареї (АКБ).

Перша причина – бажання заощадити. Бюджетні моделі акумуляторів можуть просто не витримати навантажень за критично низьких температур взимку. Справа в тому, що низька ціна АКБ обумовлена ​​скороченням свинцевих пластин. Тому, якщо потрібен довговічний акумулятор — не варто купувати дешеві моделі.

Другою причиною швидкого виходу з експлуатації акумулятора є використання АКБ, не призначеної для конкретного автомобіля.Сучасні акумулятори виробляються за технологією AGM, завдяки якій агрегат здатний витримати збільшену кількість циклів розряд-заряд. Саме цей фактор робить їх ідеальними для машин із функцією «старт-стоп». Якщо на автомобіль з такою функцією встановити звичайний акумулятор, він швидко вийде з експлуатації.

Третя причина поломки акумулятора може бути температурні перепади. Щоб запускати щоранку двигун машини без проблем, автовласникам потрібно регулярно оцінювати стан батареї і, при необхідності, заряджати її.

Окремо варто сказати про стан клем акумулятора та чистоту підкапотного простору, яким водії часто не приділяють належної уваги. Така недбалість також може скоротити термін служби акумуляторної батареї — і це четверта причина.

П'ятою причиною є покупка акумулятора, несумісного з конкретною моделлю автомобіля, а також можливі помилки з розмірами АКБ, типом та ємнісними характеристиками - все це зрештою негативно позначиться на термін експлуатації АКБ.

Чому вмирають АКБ: 4 головні причини

Звичайний термін служби акумулятора становить 4-5 років. Непоодинокі випадки, коли батареї живуть вдвічі довше. Проте буває і зворотна ситуація, коли АКБ вирушає в брухт уже за рік-два.

1. Зекономили

Ситуація аналогічна до заправки паливом: багато автовласників вишукують найдешевші АЗС, не бажаючи замислюватися про причини щедрості продавця. І мало не в кожному магазині запчастин можна купити батарею з нормальними робочими параметрами, яка коштує на кілька тисяч рублів менше за інші. Яскрава етикетка, знайомі характеристики 600 А чи 64 А·год, та й назва вражає: «Темна Зірка» чи «Кіборг».Вилка навантаження показує: виріб живий. Але мине менше року – і акумулятор накаже довго жити.

Що сталося? Ви нарвались на батарею, виробник якої ставив ту саму мету – заощадити! Алгоритм простий: підприємець звертається до акумуляторного заводу, де замовляє партію дешевих АКБ без огляду на стандарти. Заводу вигідно: товар іде відразу, замовник відразу розплачується, рекламацій нічого очікувати.

А як здешевити виробництво? Найпростіше зменшити кількість свинцевих пластин. Таке «полегшення» в тепличних умовах зможе тягнути лямку. Але за підвищеного навантаження (наприклад, при експлуатації взимку) «здоров'я» не вистачить. Адже що менше пластин, то нижче ємність, і навіть ресурс. А тому довго така батарея не пропрацює.

2. Батарея не тієї системи

Деякі сучасні АКБ виробляють за технологією AGM. Вони розраховані на значно більше циклів «розряд-заряду». Тому їх слід використовувати в автомобілях із системами «Старт/стоп». Однак власники таких машин заради економії часто купують замість штатної AGM-батареї, що вийшла з ладу, «звичайну». У цих випадках АКБ помре дуже швидко: часті глибокі розряди та швидке відновлення їй не по зубах.

3. Перепади температури

Оптимальна робоча температура для АКБ лежить у межах 20–25 °С. Якщо температура вища, зростає небезпека википання води з електроліту – насамперед це трапляється на АКБ старої конструкції із заливними пробками. Пластини оголюються, ємність та струм падають. Крім того, і саморозряд у спеку збільшується. Все, що від вас вимагається, хоча б зрідка контролювати стан акумулятора. У обслуговуваний доведеться підливати воду, у необслуговуваного достатньо перевіряти напругу на клемах. Якщо воно нижче 12,6 В – заряджайте!

Зима – найважча пора для будь-яких АКБ. Батарея поки не нагріється, практично не приймає заряд, а от струм, що віддається нею, досягає максимальних значень - при частих і складних зимових пусках, коли мотор насилу прокручується і погано запускається. У результаті батарея часто виявляється недозарядженою, а то й зовсім може спорожніти. А, як відомо, розряджена батарея вмирає швидше.

4. Водійська недбалість

Сьогодні знайти акумулятор для будь-якої машини не важко. Однак деякі примудряються купити батарею, яка не підходить не тільки за типом або електричними параметрами, але навіть за розмірами.

При встановленні позаштатної батареї дроту до неї підчепити ще якось вдається, а ось закріпити належним чином не виходить. І власник починає «колгоспити»: прив'язувати батарею мотузками, скотчем або залишає незафіксованою. У русі акумулятор трястиме, як на вібростенді. Через що досить швидко може обсипатись активна маса або з'являться тріщини – і те, й інше призведе до відмови.

На тривалість життя навіть якісної батареї сильно впливає рівень її заряджання. У більшості випадків у недозаряді батареї винні не лише міські пробки та короткі пробіги, а й стан бортмережі.

Про відсутність зарядки сповістить індикатор на панелі приладів. Але навіть якщо заряд йде, для нормального поповнення батареї може не вистачити. Тому важливо регулярно вимірювати напругу живлення і своєчасно усувати несправності, що призводять до недозаряду.

Підпишіться на «За кермом» у