Мобильные телефоны, цифровые фотоаппараты, видеокамеры, ноутбуки: все они работают от литий-ионных батарей. Они характеризуются высокой плотностью энергии, оставаясь при этом небольшими и достаточно легкими, чтобы их можно было использовать в портативных устройствах. «Литий-ионный аккумулятор может хранить в три-четыре раза больше энергии, чем никель-кадмиевый аккумулятор такого же размера», — объясняет доктор Хабил. Ральф Жиль, ученый из Neutron Source Heinz Maier-Leibnitz (FRM II). Даже колебания температуры и длительное хранение не создают проблем для литий-ионных аккумуляторов.
Эти преимущества делают литий-ионные батареи ключевой технологией для электромобильности. В недалеком будущем электромобили смогут противостоять транспортным средствам, работающим на жидком топливе, в том числе с учетом доступного расстояния.
Для этого потребуются мощные, безопасные и быстро заряжаемые аккумуляторы.Литиевое покрытие может вызвать короткое замыканиеОднако на пути к достижению этой цели стоит одно ранее известное, но малоизученное явление: осаждение металлического лития или, как его еще называют, покрытие литием.Проще говоря, накопление энергии в литий-ионной батарее работает по следующему принципу: как положительный электрод (катод), так и отрицательный электрод (анод) могут связывать ионы лития.
Во время процесса зарядки индуцированное электрическое поле заставляет ионы перемещаться от катода к аноду. Когда батарея разряжается, ионы лития возвращаются к катоду, высвобождая при этом энергию.Катод в литий-ионных батареях состоит из оксида металлического лития, в то время как стандартным материалом для анодов батарей является графит (углерод) со слоистой структурой. В процессе зарядки ионы лития накапливаются в этих слоях.
Однако иногда ионы лития образуют металлический литий вместо того, чтобы внедряться в анод, как желательно. Литий осаждается на аноде и больше не полностью доступен для описанного процесса. Результат — падение производительности аккумулятора.
В крайних случаях это может даже привести к короткому замыканию. Кроме того, металлический литий легко воспламеняется.
Неразрушающее исследование с использованием нейтронов в качестве зондаДо сих пор было невозможно наблюдать точный механизм работы во время литиевого покрытия.
Когда батарея открыта, объясняет Ральф Жиль, вы получаете только снимок ее текущего состояния. Однако количество металлического лития постоянно меняется. Используя нейтронные пучки, ученые доктор Вероника Зинт из источника нейтронов Хайнц Майер-Лейбниц (FRM II) и Кристиан фон Людерс из Департамента технологий хранения электроэнергии смогли наблюдать процессы внутри батарей, не разрезая их.«В отличие от других методов, с помощью дифракции нейтронов мы можем сделать более точные утверждения о том, когда и насколько сильно происходит литиевое покрытие», — объясняет Вероника Зинт.
Используя дифрактометр STRESS-SPEC для исследования материалов в FRM II, исследователи установили в пучок нейтронов батарею как в состоянии зарядки, так и в состоянии разряда. Падающий пучок нейтронов дифрагируется согласно закону Брэгга и собирается в детекторе.
Используя эти сигналы, исследователи смогли косвенно определить, сколько металлического лития образовалось.Более быстрая зарядка означает больше металлического лития
Первоначальные результаты исследования:Чем быстрее процесс зарядки, тем больше образуется металлического лития. До 19% ионов лития, обычно участвующих в процессах зарядки и разрядки, принимают металлическую форму. (Замеры проводились при -20 градусах Цельсия).
Во время 20-часовой фазы покоя после быстрой перезарядки часть металлического лития вступает в реакцию с графитом, внедряясь между слоями графита в виде ионов лития. По сути, это замедленный, медленный процесс зарядки. Но только часть литиевого покрытия обратима.
Низкие температуры способствуют образованию металлического лития.Ученые планируют дальнейшие эксперименты, чтобы пролить больше света на механизм литиевого покрытия. Результаты могут помочь ответить на вопрос, как вообще можно предотвратить это явление.
Это также потребует ответа на вопрос о том, как быстро аккумуляторы можно заряжать до того, как начнется литиевое покрытие.Исследование является частью проекта ExZellTUM (Exellence Center for Battery Cells) Федерального министерства образования и исследований Германии (BMBF).
Проект ExZellTUM направлен на разработку новых систем хранения энергии, а также новых производственных процессов, стратегий формования и технологий тестирования для производства систем хранения. В проекте участвуют четыре партнера: Департамент систем хранения электроэнергии, Департамент станков и промышленного управления, Департамент технической электрохимии и источника нейтронов Хайнца Майера-Лейбница.