Литий-ионные аккумуляторы очень распространены, потому что они обладают высокой плотностью заряда. Обычно емкость накопителя значительно уменьшается после тысячи зарядов и разрядов. Многообещающим кандидатом для нового поколения таких систем накопления энергии, в частности из-за их высокого напряжения 4,7 В, являются так называемые шпинели на основе оксида лития-никеля-марганца или шпинели LNMO. Электроды состоят из миниатюрных кристаллов, также называемых кристаллитами, которые соединены связующим материалом и проводящим углеродом, образуя тонкий слой.
Команда Бозенберга, в которую также входят исследователи из Университета Гиссена, Университета Гамбурга и австралийского национального научного агентства CSIRO, изучала отрицательные электроды этого соединения LiNi0,5Mn1,5O4 на канале рентгеновского микрофокусного пучка P06 PETRA III. С помощью нового детектора рентгеновской флуоресценции они могли определять с разрешением в половину микрометра (миллионной доли метра) точное распределение никеля и марганца на больших площадях электрода. Молекулярная структура активного материала в электродах батареи состоит из никеля (Ni), марганца (Mn) и кислорода (O), причем структура представляет собой относительно жесткую кристаллическую решетку, в которой ионы лития в качестве мобильных носителей заряда, могут быть вставлены или извлечены.
В своем нынешнем исследовании исследователи подвергли разные электроды батареи 25 циклам зарядки и разрядки каждый с тремя разными скоростями и измерили элементарное распределение компонентов электрода. Ученые смогли показать, что во время быстрой зарядки атомы марганца и никеля вымываются из кристаллической структуры. В своем исследовании исследователи обнаружили дефекты, такие как отверстия в электроде, диаметром до 100 микрон (0,1 миллиметра). Разрушенные участки больше нельзя использовать для хранения лития.
Используя метод рентгеновской флуоресценции в своих исследованиях, исследователи воспользовались тем фактом, что рентгеновские лучи могут вызывать флуоресценцию химических элементов, краткосрочное излучение. Длина волны или энергия флуоресцентного излучения является характерным отпечатком для каждого химического элемента. Таким образом можно точно определить распределение отдельных материалов в электроде. Для этой задачи исследователи использовали новый детектор флуоресценции, только два из которых в настоящее время существуют во всем мире в такой форме.
Этот детектор Maia, совместная разработка CSIRO и Брукхейвенской национальной лаборатории в США, состоит из почти четырехсот отдельных элементов, которые собирают флуоресцентное излучение образца. Благодаря высокому энергетическому разрешению и чувствительности детектор способен одновременно локализовать несколько химических элементов.Узкий и высокоинтенсивный рентгеновский луч PETRA III мог точно сканировать поверхность образца размером примерно 2×2 квадратных миллиметра с разрешением в полмикрона.
Исследование каждой точки заняло всего одну тысячную секунды. «Впервые мы смогли локализовать эти неоднородности с таким высоким пространственным разрешением на такой большой площади», — говорит Бозенберг. «Мы надеемся лучше понять эффекты и заложить основу для улучшенных устройств хранения энергии».Что до сих пор вызывает недоумение, так это то, где в конечном итоге попадают растворенные атомы никеля и марганца — это вопрос, который исследователи хотели бы решить в дальнейших исследованиях. «Есть признаки того, что растворенный материал, по крайней мере частично, оседает на аноде, что наносит вдвое больший ущерб свойствам батареи», — резюмирует Бозенберг.