Международен екип учени демонстрира нов метод за диагностика на батерии, който позволява анализ на състоянието на електролита без разглобяване на клетката. Подходът използва ядрено-магнитен резонанс с изключително слаби магнитни полета и може да „вижда“ през металния корпус на батерията.
Акумулаторните батерии са навсякъде – в мобилните устройства, електромобилите и системите за съхранение на енергия от възобновяеми източници. Една от най-честите причини за отказ е деградацията или изтичането на електролита – химичната среда, която позволява протичане на електрохимичните реакции вътре в клетката.
Международен изследователски екип е намерил решение на този проблем. Целта е диагностиката на електролита да се извършва без разрушаване на батерията и без отваряне на корпуса ѝ. Технологията обещава по-добър контрол върху качеството и безопасността на батериите – от смартфони до електромобили и системи за съхранение на възобновяема енергия.
Как работи акумулаторната батерия
Батерията съхранява електрическата енергия под формата на химическа. Вътре се намират два метални електрода и електролит – средата, през която се движат заредените частици. Когато батерията се разрежда, протичат химични реакции, при които йони се придвижват вътре в клетката, а електроните преминават през външната електрическа верига и осигуряват енергия.
При акумулаторните батерии този процес може да се обърне. Зареждането възстановява първоначалното химично състояние, което позволява многократна употреба.
С времето обаче електролитът се променя. Той може да се разгради химически, да се замърси или да изтече. Това води до загуба на капацитет, а в някои случаи и до сериозни рискове – например прегряване или експлозия.
„Надеждни методи за недеструктивна диагностика на състоянието на батерията на практика липсват. Количеството и химичният състав на електролита не могат да бъдат определени през корпуса с помощта на стандартните техники. Именно тук се намесва нашето изследване“, обяснява д-р Ан Фабрикант, съавтор на публикацията и участник в експериментите от страна на Института „Хелмхолц” в Майнц и немския Федерален физикотехнически институт.
ЯМР с ултраниски полета
Изследователите използват специална техника, известна като „ядрено-магнитен резонанс с нулево до ултраниско поле“ (ZULF NMR). При нея измерванията на ядрено-магнитния резонанс се извършват без силно външно магнитно поле.
„Корпусите на батериите са прозрачни за този тип измервания, което ни позволява буквално да погледнем вътре“, казва Фабрикант.
При проведените експерименти учените успяват директно да открият и количествено да измерят както разтворителя, така и литиевите соли в търговски електролити – и то през металния корпус на батерията.
„Тествахме реални батерийни клетки, включително конструкции, използвани в електромобилите“, обяснява проф. Дмитрий Будкер от Института „Хелмхолц” в Майнц и Университета „Йоханес Гутенберг“ в същия град. Той е сред основните разработчици на метода ZULF NMR.
Според учения, експериментите доказват работоспособността на концепцията и отварят пътя към практическо приложение на технологията. Резултатите от изследването са публикувани в научното списание Chemical Science.
Възможности за диагностика в реално време
В бъдеще подобни измервания могат да се извършват директно по време на работа на батерията. Това би позволило непрекъснат контрол върху състоянието на електролита и ранно откриване на проблеми.
Темата придобива все по-голямо значение. Акумулаторните батерии се използват както в малки мобилни устройства като смартфони и лаптопи, така и в мащабни системи – например електромобили или инсталации за съхранение на възобновяема енергия.
Допълнителните измервания дават и по-добро разбиране за протичащите електрохимични процеси вътре в клетките. Това знание може да помогне при разработване на следващо поколение батерийни технологии.
„Възможността да се характеризира недеструктивно обемът и съставът на електролита подпомага проектирането на по-добри батерии и служи като ключов инструмент за контрол на качеството през целия жизнен цикъл на клетката“, казва проф. Алексей Ершов от Университета в Ню Йорк, партньор в проекта.
Екипът на проф. Будкер вече планира следващи експерименти. Целта е повишаване на точността и скоростта на измерванията, както и възможност за анализ на по-големи батерии.
„Имаме много идеи как да направим откриването по-прецизно и по-бързо, как да изследваме по-големи батерийни системи и как технологията да стане по-икономична“, казва Будкер. „Убеден съм, че в дългосрочен план тя ще заеме мястото си редом с други, по-инвазивни методи за диагностика“.
