Деградация аккумуляторов изучена на уровне отдельных частиц

23.10.13 | Рубрика: Литиевые источники тока. Просмотры: 1 335

Современные литий-ионные батареи содержат активные материалы — промежуточные компаунды, которые способны накапливать заряды в своей химической структуре без заметных ее изменений. Это делает такие аккумуляторы сравнительно долговечными и безопасными. Недостатком промежуточных материалов является их ограниченная энергетическая плотность (количество энергии, которое они способны хранить на единицу массы или объема).

В поиске путей совершенствования батарей ученые уже более 20 лет экспериментируют с веществами, способными циклически образовывать сплавы с литием и возвращаться в исходное состояние. По результатам лабораторных испытаний такие материалы многократно превосходят по плотности энергии промежуточные компаунды. Однако практическому их применению препятствует низкая стабильность: емкость таких аккумуляторов существенно снижается уже после нескольких циклов перезарядки.

Причиной этого является значительное — почти в три раза — увеличение объема электродного материала в процессе зарядки. В ходе разрядки материал сжимается вновь, не достигая, однако, исходного состояния. Структура электрода разрушается, и фрагменты его утрачивают контакт с электрической схемой аккумулятора.

Для того, чтобы лучше представить сложные электрохимические и механические аспекты процесса деградации структуры электрода, ученые цюрихского Федерального технологического института ETH использовали рентгеновский томографический микроскоп, реализованный на базе Swiss Light Source, синхротронной установки в институте Пауля Шерера. Генерируемое синхротроном спектрально чистое и интенсивное рентгеновское излучение позволяет быстро получать снимки с высоким разрешением, на основе которых компьютер воссоздает трехмерное анимированное изображение.

Исследователи в течение 15 часов наблюдали за функционированием батареи, собрав уникальную количественную информацию о процессах, происходящих в каждой из тысяч частиц электрода. Полученные результаты будут опубликованы в журнале Science и предварительно представлены в онлайновом дайджесте Science Express.

Ученые продемонстрировали, что насыщение литием частиц оксида олова происходит равномерно от границ к центру. Расширение материала носит линейную зависимость от запасаемого в нем заряда. Рентгеновские изображения показывают, что такая зарядка необратимо повреждает структуру частиц. При этом трещины образуются не беспорядочно, а там, где кристаллическая решетка уже содержит дефекты. После разрядки они не исчезают, то есть структура материала восстанавливается не полностью.

Изменение объема индивидуальных частиц в эксперименте приводило к расширению всего электрода с 50 до 120 мкм, в разряженном же состоянии он уменьшался лишь до 80 мкм. Это демонстрирует недостаточную пригодность полимерного наполнителя для материала с большим диапазоном изменения объема. Для батареи подобные остаточные деформации критичны, поскольку из-за них отдельные частицы могут терять контакт с электродом, что ведет к уменьшению общей емкости.

Результаты этого исследования создают предпосылки для разработки новых электродных материалов и структур, устойчивых к изменению объема, и которые можно производить в промышленных масштабах с низкой себестоимостью. В частности, по мнению авторов, наилучшие перспективы имеет применение аморфных наноструктурированных материалов вместо кристаллических.

Источник: KO