Исследование выявило скрытую проблему аккумуляторов будущего
Наука и космос112 июл 11:39
Международная команда исследователей из Института Лауэ — Ланжевена (ILL) впервые смогла в реальном времени наблюдать за перемещением ионов лития в работающем твердотельном аккумуляторе во время процессов зарядки и разрядки. Для этого учёные применили нейтронную дифракцию — один из немногих методов, который позволяет заглянуть внутрь батареи, не разрушая её, и отслеживать поведение лития в процессе работы.
Твердотельные аккумуляторы считаются одним из самых перспективных направлений в развитии энергетических технологий. В отличие от современных литий-ионных батарей, где перенос заряда осуществляется через жидкий электролит, в этих системах используется твердый материал. Это потенциально позволяет создавать более безопасные, компактные и энергоемкие аккумуляторы с меньшим риском возгорания.
Однако именно переход на твердый электролит вызывает новые сложности. В жидких системах ионы лития перемещаются относительно свободно, тогда как в твердых материалах их движение зависит от сложной структуры кристаллов, границ между частицами и распределения электрического тока. До настоящего времени учёным было сложно наблюдать за этими процессами непосредственно во время работы аккумулятора.
Чтобы решить эту задачу, исследователи разработали специальный экспериментальный твердотельный аккумулятор. В нём использовался катод из материала NMC622 (оксид никеля, марганца и кобальта в соотношении 60:20:20), новый высокопроводящий твердый электролит Li5.4PS4.4BrCl0.6 (сложное соединение на основе лития, фосфора, серы, брома и хлора) и анод на основе сплава лития и индия.
Для проведения экспериментов учёным пришлось изготовить необычно толстый лабораторный элемент — около 2,5 мм. Это обеспечило достаточно сильный нейтронный сигнал и одновременно приблизило условия испытаний к реальным конструкциям аккумуляторов.
Наблюдения показали, что движение лития внутри электрода происходит далеко не идеально равномерно. Даже при очень медленной зарядке в разных участках материала одновременно существовали две различные структурные фазы, хотя изначально учёные ожидали более однородного распределения лития.
По мнению исследователей, причиной этого стала неоднородная плотность электрического тока внутри толстого электрода. В результате некоторые области насыщались литием быстрее других, создавая локальные различия в структуре материала.
При повышении температуры до 100 °C ситуация изменилась: неоднородность почти исчезла. Более высокая температура улучшила проводимость твердого электролита, благодаря чему ионы лития стали распределяться значительно равномернее.
Кроме того, эксперимент подтвердил высокую стабильность нового сульфидного электролита. Во время полного цикла зарядки и разрядки его структура практически не изменилась, что является важным показателем для будущего применения таких материалов в коммерческих аккумуляторах.
Учёные считают, что полученные данные помогут глубже понять внутренние процессы в твердотельных батареях и оптимизировать их конструкцию — от состава электродов до режимов эксплуатации. В перспективе это может ускорить создание аккумуляторов нового поколения, которые будут сочетать высокую энергоемкость, безопасность и длительный срок службы.
DexterИсточники:Tech XploreНаука и космос1Наука12 июл 11:39
Источник