(mining.com) — Ученые из Чикагского университета использовали комбинацию мощной электронной микроскопии и вычислительного моделирования, чтобы понять на атомном уровне, что происходит, когда литий-ионные батареи портятся. Их исследования указывают на один из подходов к разработке литий-ионных аккумуляторов с более длительным сроком службы — стоит сосредоточить внимание на часто игнорируемом структурном компоненте, домене углеродного связующего (carbon binder domain, CBD).
«Для решения многих мировых проблем хранения и преобразования энергии в ближайшие десятилетия, нам необходимо продолжать вводить новшества и улучшать аккумуляторы, — заявила журналистам Ю. Ширли Мэн (Y. Shirley Meng), руководившая исследованием. - Эта работа — еще один шаг к более эффективной и устойчивой аккумуляторной технологии».
По словам Мэн, повсеместная коммерциализация литий-ионных аккумуляторов в конце 20-го века сыграла роль в появлении легкой перезаряжаемой электроники. Литий является самым легким металлом и имеет высокое отношение плотности энергии к массе. Когда литий-ионный аккумулятор заряжается, ионы лития перемещаются от положительно заряженного катода к отрицательно заряженному аноду. Чтобы высвободить энергию, эти ионы возвращаются от анода к катоду.
Во время циклов зарядки активные материалы катода и анода расширяются и сжимаются, накапливая «трещины частиц» и другие физические повреждения. Со временем это приводит к тому, что литий-ионные батареи работают хуже.
Тонкие и толстые электроды
Исследователи ранее описали «трещины» и деградацию частиц, которые происходят в маленьких тонких электродах для литий-ионных аккумуляторов. Однако в настоящее время разрабатываются толстые и энергоемкие электроды для аккумуляторов большего размера, например, для электромобилей, грузовиков и самолетов.
«Кинетика толстого электрода сильно отличается от кинетики тонкого электрода, — сказал ученый Минхао Чжан (Minghao Zhang), соавтор статьи, в которой представлены новые результаты. - Портятся на самом деле намного хуже аккумуляторы с толстыми электродами, вырабатывающие больше энергии, из-за сопротивления в электрическом поле».
Чжан отметил, что количественное исследование толстых электродов также сложнее. Инструменты, которые ранее использовались для изучения тонких электродов, не могут улавливать структуры более крупных и плотных материалов.
В новой работе Мэн, Чжан и сотрудников из компании Thermo Fisher Scientific обратились к сканирующей электронной микроскопии с фокусированным ионным пучком плазмы (Plasma Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscopy, PFIB-SEM), чтобы визуализировать изменения, происходящие внутри толстого катода литий-ионной батареи. PFIB-SEM использует сфокусированные лучи, заряженные ионы и электроны, для создания изображения трехмерной структуры материала со сверхвысоким разрешением.
Исследователи использовали метод визуализации для сбора данных о совершенно новом катоде, а также о катоде, который заряжался и разряжался 15 раз. Используя данные экспериментов с электронной микроскопией, команда ученых построила вычислительные модели, иллюстрирующие процесс деградации аккумуляторов.
Эта комбинация экспериментальных данных с наноразмерным разрешением и моделирования позволила ученым определить, как портится катод.
Исследователи обнаружили, что различия между областями батареи способствовали многим структурным изменениям. Электролитная коррозия чаще происходила с тонким слоем на поверхности катода. Таким образом, в этом верхнем слое образовался более толстый резистивный слой, из-за чего нижний слой расширялся и сжимался больше, чем другие части катода, что приводило к более быстрой деградации.
Модель также указала на важность CBD — пористая сетка из фторполимера и атомов углерода, которая удерживает вместе активные материалы электрода, вносит свой вклад и помогает проводить ток через батарею. В предыдущих исследованиях не описывается, как CBD портится во время использования батареи, но новая работа показывает, что ослабление контактов между CBD и активными материалами катода напрямую связано со снижением производительности литий-ионных батарей с течением времени.
«Это изменение было даже более очевидным, чем деградация активного материала, на котором многие исследователи сосредоточились в прошлом», — сказал Чжан.
Батареи будущего
С помощью своей модели катода группа Мэн изучила, как изменения в конструкции электрода могут повлиять на его деградацию. Они показали, что изменение структуры CBD может помочь предотвратить ухудшение контактов между CBD и активными материалами, что продлит срок службы батарей — гипотеза, которую инженеры теперь могут подтвердить физическими экспериментами.
Теперь группа использует тот же подход для изучения еще более толстых катодов, а также проводит дополнительное моделирование того, как замедлить деградацию электродов.
