Ученые проделали шаг к разрешению одной из ключевых загадок твердотельных аккумуляторов — как именно литий перемещается внутри твердых материалов в процессе зарядки и разрядки.
Понимание того, как именно литий перемещается внутри аккумулятора, имеет большое значение: твердотельные батареи считаются многообещающей альтернативой традиционным литий-ионным, предлагая большую энергоемкость и безопасность, однако управление их «внутренними процессами» пока остается сложной задачей.
В жидких электролитах ионы лития могут свободно перемещаться в растворе. В твердотельных системах им необходимо преодолевать плотные частицы и сложные границы между электродами и твердым электролитом. Это усложняет наблюдение и понимание процессов транспорта ионов.
В новом исследовании эксперты Национального тайваньского университета предложили практический метод, позволяющий «заглянуть внутрь» работающего твердотельного аккумулятора. Вместо того чтобы ограничиваться измерением общей производительности ячейки (таких параметров, как напряжение и емкость), они сосредоточились на самом твердом электролите и отслеживали, как литий в процессе циклов зарядки и разрядки меняет его структуру.
Такой метод позволил не только установить, может ли литий проходить через материал, но и понять, где именно он предпочитает двигаться. Выяснилось, что движение лития внутри твердого электролита весьма неоднородно. Ионы стремятся мигрировать по более упорядоченным участкам кристаллической структуры — подобным «трассам» с повышенной проводимостью. Эти пути облегчают перенос заряда через интерфейс между электродом и электролитом.
В то же время области с внутренними напряжениями хуже принимают литий, что приводит к неравномерному распределению ионов внутри отдельных частиц. Эта неоднородность может вызывать локальные перенапряжения, деградацию материала и снижение емкости.
Отдельно исследователи оценили, как режим зарядки влияет на поведение лития. Оказалось, что необратимые перемещения ионов, связанные с деградацией, чаще происходят не при глубокой зарядке, а именно при быстрой зарядке. Другими словами, агрессивные высокотоковые режимы представляют собой больший риск для твердотельных аккумуляторов, чем просто высокая степень заряда, если она достигается плавно.