Мониторинг срока службы литий-ионной батареи без ее разборки может стать возможным благодаря открытию бразильских ученых. Исследователи из Государственного университета Кампинаса (UNICAMP) создали вычислительную модель, которая доказывает, что естественные колебания напряжения действуют как «рентгеновский луч», позволяя увидеть микроскопическую структуру материалов и скорость химических реакций внутри аккумулятора.
Литий-ионные батареи используются повсеместно — от мобильных телефонов до электромобилей и систем хранения энергии для солнечных электростанций. Однако диагностика их состояния обычно требует сложного оборудования или полной разборки элемента питания. Новое исследование, опубликованное в журнале Cell Reports Physical Science, предлагает способ заглянуть внутрь работающей батареи через анализ ее электрических сигналов.
Исследование координировал профессор Рафаэль Нагао, а первым автором выступил докторант Эдуардо Парма. Ученым удалось объяснить явление, впервые замеченное в батареях еще в 2018 году. Оказалось, что электроды представляют собой не твердые блоки, а сложную пористую структуру, напоминающую пену. Ионы лития проникают в частицы активного материала группами. Когда примерно один процент из миллиардов частиц одновременно переходит из слабо заряженного состояния в сильно заряженное, это вызывает небольшой скачок электрического напряжения. Последовательность таких переходов генерирует наблюдаемые колебания.
Используя метод фазово-полевого моделирования, который учитывает многомерные вычислительные сетки вместо упрощенных схем, ученые смогли точно воспроизвести этот процесс. Моделирование показало прямую связь между периодом колебаний и распределением частиц по размерам, а также скоростью интеркаляции ионов лития. Это означает, что простой анализ напряжения позволяет оценить микроструктуру материала и кинетику электрохимических реакций.
«Колебания выявляют характеристики наноструктуры электродов. Цель состоит в том, чтобы использовать это спонтанное поведение для получения информации, к которой обычно очень трудно получить доступ», — говорит Эдуардо Парма.
Авторы отмечают, что гипотеза нуждается в экспериментальной проверке. Если зависимость подтвердится, точное измерение малых электрических колебаний позволит оценивать состояние батарей без их вскрытия. Это открывает путь к созданию недорогих методов диагностики для разработки долговечных аккумуляторов и надежных систем управления энергией.
Тем временем в Японии создали «скорую помощь» для роботов. Подробности — в другом материале Hi-Tech Mail.