При использовании ионы лития входят и выходят из анода, который обычно состоит из частиц графита. Ионы скользят между атомами углерода в процессе, называемом интеркаляцией (см. схему).
Когда аккумулятор заряжается слишком быстро, ионы лития имеют тенденцию скапливаться на поверхности анода, что приводит к разрушительному «покрытию».
«Покрытие - одна из основных причин ухудшения характеристик батареи во время быстрой зарядки», - сказал аргоннский ученый Дэниел Абрахам. «Когда мы быстро зарядили аккумулятор, мы обнаружили, что помимо металлизации на поверхности анода, внутри пор электродов накапливались продукты реакции».
Используя сканирующую электронную нано-дифракцию для наблюдения на атомном уровне, команда увидела, что углеродная решетка у поверхности частиц постоянно искажается из-за повторяющейся быстрой зарядки (при температуре до 6 ° C). Беспорядок решетки достигал ~ 20 нм в частицу и препятствовал ионам от дрейфа к краю решетки для интеркалирования. Вместо этого они наносятся на поверхность частиц.
«Чем быстрее мы заряжаем нашу батарею, тем более атомарно неупорядоченным становится анод, что в конечном итоге не позволяет ионам лития двигаться вперед и назад», - сказал Абрахам. «Ключ в том, чтобы найти способы либо предотвратить эту потерю организации, либо как-то изменить частицы графита, чтобы ионы лития могли интеркалировать более эффективно».
Работа описана в обширной и четко написанной статье «Повышенный беспорядок на краях графитовых частиц, выявленный путем анализа характеристик анодов из быстро заряженных литий-ионных элементов в многоуровневом масштабе», опубликованной в Журнале Электрохимического общества, в которой также описаны другие механизмы повреждения. проанализированы в рамках комплексного проекта с Университетом Иллинойса Урбана-Шампейн.