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 перемещение ионов лития внутри функционирующего твердотельного аккумулятора в процессе зарядки и разрядки. Для этого исследователи использовали нейтронную дифракцию — один из немногих методов, который позволяет заглянуть внутрь батареи без ее разрушения и отслеживать поведение лития в процессе эксплуатации.
Твердотельные аккумуляторы рассматриваются как одно из самых многообещающих направлений в области энергетических технологий. В отличие от современных литий-ионных батарей, где перенос заряда происходит через жидкий электролит, в таких системах используется твердый материал. Это потенциально открывает возможности для создания более безопасных, компактных и энергоемких аккумуляторов с меньшим риском возгорания.
Тем не менее, переход к твердому электролиту порождает новые трудности. 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 сих пор ученым было сложно наблюдать эти процессы непосредственно в процессе работы аккумулятора.
С целью решения этой задачи исследователи разработали специальный 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 основе сплава лития и индия.
Для проведения опытов ученым пришлось создать необычно толстый лабораторный элемент — около 2,5 мм. Это обеспечило получение достаточно сильного нейтронного сигнала и одновременно приблизило условия тестирования к реальным конструкциям аккумуляторов.
Наблюдения показали, 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 стали различные плотности 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, благодаря чему ионы лития стали распределяться значительно более равномерно.
Кроме того, эксперимент подтвердил высокую стабильность нового сульфидного электролита. В процессе полного цикла зарядки и разрядки его структура практически не изменилась, что является важным показателем для будущего применения таких материалов в коммерческих аккумуляторах.
Ученые полагают, что полученные данные помогут лучше понять внутренние процессы в твердотельных батареях и оптимизировать их конструкции — от состава электродов до режимов эксплуатации. В перспективе это может ускорить разработку аккумуляторов нового поколения, которые будут сочетать высокую энергоемкость, безопасность и долгий срок службы.
DexterИсточники:Tech XploreНаука и космос1Наука51 минуту назад
Источник