Диагностика состояния литий-ионных аккумуляторов в роботах: периодические колебания напряжения

Исследователи из Университета Кампинас (UNICAMP) в Бразилии совместно с коллегами из Технического университета Дармштадта разработали математическую модель, которая объясняет периодические колебания напряжения в электродах из титаната лития (LTO) при зарядке и разрядке.

Что такое LTO?
Титанат лития (LTO) — материал, который используется в качестве анода в литий-титанатных аккумуляторах, разновидности литий-ионных систем. Одним из главных его преимуществ является то, что при интеркаляции (встраивании) или извлечении ионов лития кристаллическая решётка LTO практически не меняется в объёме, что значительно снижает механическую деградацию. Так, срок службы литий-титанатных аккумуляторов может превышать 20 000 циклов зарядки и разрядки. К тому же они способны работать при низких температурах, а скорость их зарядки может быть в разы выше, чем у многих других литий-ионных аккумуляторов.

Однако у LTO есть особенность, которая долгое время в научном сообществе оставалась не полностью разгаданной. В отличие от большинства электродных материалов, он демонстрирует колебания напряжения во время работы. Это явление было впервые экспериментально обнаружено в 2018 году и с тех пор привлекает внимание исследователей.

Как объяснили природу колебаний
Электроды представляют собой не сплошное твёрдое тело, а сложную пористую структуру, для простоты восприятия сопоставимую с пеной. Ионы лития проникают в частицы активного материала группами. По расчётам авторов исследования, когда примерно один процент из 10 миллиардов частиц анода одновременно переходит из менее литированного в более литированное состояние (то есть от низкой концентрации ионов лития в структуре к высокой), это вызывает небольшой скачок электрического напряжения, последовательность которых генерирует наблюдаемые колебания.

Учёные применили фазово-полевое моделирование — математический метод, который позволяет описать поведение материала на уровне отдельных частиц. Модель показала, что колебания напряжения связаны с последовательным характером фазового перехода.

Два ключевых вывода
Первым выводом является наличие связи между периодом колебаний и размерами частиц электрода. Оказалось, что размеры частиц влияют на то, какие именно группы частиц переходят в новую фазу, а значит, напрямую определяют период колебаний. Это означает, что, просто наблюдая за колебаниями напряжения, можно получить информацию о внутренней микроструктуре электрода.

Второй вывод связан со скоростью протекания электрохимической реакции внутри батареи. Амплитуда колебаний и их период количественно связаны с плотностью тока обмена — параметром, который характеризует скорость электрохимической реакции. Чем медленнее реакция, тем больше период колебаний. Это значит, что по естественным колебаниям напряжения можно судить о состоянии аккумулятора без его разборки.

Авторы считают, что такой подход может использоваться для характеристики структуры электродов и оценки деградации батарей, однако ему ещё необходимо экспериментальное подтверждение в условиях реальной эксплуатации. Для автономных роботов такая диагностика состояния аккумулятора потенциально позволит прогнозировать оставшийся ресурс и своевременно обнаруживать проблемы с питанием.

Полная научная статья доступна в Cell Reports Physical Science.