Ученые открыли процесс движения лития в твердотельной батарее в реальном времени

Исследование выявило скрытую проблему аккумуляторов будущего

Наука и космос151 минуту назад

Международная команда ученых из Института Лауэ — Ланжевена (ILL) впервые смогла в реальном времени наблюдать за перемещением ионов лития внутри функционирующего твердотельного аккумулятора во время зарядки и разрядки. Для этого исследователи применили нейтронную дифракцию — один из немногих методов, позволяющий заглянуть внутрь батареи без ее разрушения и отслеживать поведение лития в процессе работы.

Твердотельные аккумуляторы рассматриваются как одно из самых многообещающих направлений в развитии энергетических технологий. В отличие от современных литий-ионных батарей, где перенос заряда осуществляется через жидкий электролит, в таких системах применяется твердый материал. Это теоретически позволяет создавать более безопасные, компактные и энергоемкие батареи с меньшей вероятностью возгорания.

Тем не менее, переход к твердому электролиту вызывает новые трудности. В жидких системах ионы лития перемещаются достаточно свободно, тогда как в твердых материалах их движение зависит от сложной структуры кристаллов, границ частиц и распределения электрического тока. До сих пор ученым было сложно наблюдать эти процессы непосредственно в ходе работы аккумулятора.

Для решения данной задачи исследователи разработали специализированный экспериментальный твердотельный аккумулятор. В нем 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 базе сплава лития и индия.

Для проведения экспериментов ученым пришлось изготовить необычно толстый лабораторный элемент — около 2,5 мм. Это позволило получить достаточно мощный нейтронный сигнал и одновременно приблизить условия испытаний к реальным конструкциям аккумуляторов.

Наблюдения продемонстрировали, что движение лития внутри электрода происходит далеко не идеально равномерно. Даже при очень медленной зарядке в различных участках материала одновременно существовали две разные структурные фазы, хотя изначально исследователи ожидали более однородного распределения лития.

По мнению ученых, причиной этого явилась неравномерная 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 практически исчезла. Более высокая температура улучшила проводимость твердого электролита, что способствовало более равномерному распределению ионов лития.

Кроме того, эксперимент подтвердил высокую стабильность нового сульфидного электролита. В течение полного цикла зарядки и разрядки его структура почти не изменилась, что является важным показателем для будущего использования таких материалов в коммерческих аккумуляторах.

Ученые полагают, что полученные результаты помогут глубже понять внутренние процессы в твердотельных батареях и оптимизировать их конструкцию — от состава электродов до режимов эксплуатации. В будущем это может ускорить разработку аккумуляторов нового поколения, которые будут сочетать высокую энергоемкость, безопасность и длительный срок службы.

DexterИсточники:Tech XploreНаука и космос1Наука51 минуту назад

Источник