Литий-ионные батареи используются в наших мобильных телефонах, ноутбуках и цифровых фотоаппаратах. Существует немного портативных электронных устройств, которые не полагаются на эти источники энергии.
В настоящее время аккумуляторные электроды содержат активные материалы, известные как интеркаляционные соединения. Эти материалы накапливают заряд в своей химической структуре, не претерпевая существенных структурных изменений. Это делает эти батареи сравнительно долговечными и безопасными. Однако у интеркаляционных материалов есть один недостаток: их ограниченная плотность энергии, количество энергии, которое они могут хранить в расчете на объем и массу.
В поисках аккумуляторов с более высокой плотностью энергии ученые более 20 лет экспериментировали с материалами, способными многократно легировать и расплавляться с литием. Лабораторные эксперименты показали, что батареи с такими материалами имеют плотность энергии в несколько раз больше, чем у интеркаляционных материалов; однако эти легирующие материалы еще не используются в промышленности, поскольку их срок службы ограничен. Мартин Эбнер, доктор философии Студент лаборатории наноэлектроники факультета информационных технологий и электротехники (D-ITET) объясняет: «Их емкость обычно снижается после пары циклов зарядки и разрядки».
Это объясняется значительным — до трех раз — расширением материала электрода во время зарядки. Во время разряда материалы снова сжимаются, но не достигают своего первоначального состояния. Частицы электродов разрушаются, структура электрода разрушается, и фрагменты теряют контакт с остальной частью ячейки.Батареи просвечиваются во время работы
Чтобы лучше понять эту сложную электрохимическую и механическую деградацию электрода и понять, как разработать более совершенные батареи, Мартин Эбнер и профессор ETH Ванесса Вуд, руководитель лаборатории наноэлектроники в D-ITET, признали необходимость изучения батареи. электрод неинвазивно во время работы. Для этого они обратились к инструменту визуализации, разработанному профессором ETH Марко Стампанони, который занимает должность преподавателя в Институте биомедицинской инженерии в D-ITET.
Кроме того, он управляет каналом томографической рентгеновской микроскопии в швейцарском источнике света. синхротронная установка в Институте Пауля Шеррера. Спектрально чистое и интенсивное синхротронное рентгеновское излучение позволяет быстро получать рентгеновские изображения с высоким разрешением, которые могут быть собраны с помощью вычислений в трехмерные фильмы.Исследователи наблюдали за внутренней частью батареи, когда она заряжалась и разряжалась в течение 15 часов. Они собрали уникальные трехмерные видеоролики, которые фиксируют механизмы деградации, происходящие в батарее, и количественно оценивают процессы, происходящие в каждой частице, для тысяч частиц в электроде.
Результаты этого исследования будут опубликованы в журнале Science; предпечатная версия доступна на сайте Science Express.Необратимые структурные измененияДанные показывают, что частицы оксида олова (SnO) расширяются во время зарядки из-за притока ионов лития, вызывающего увеличение объема частиц.
Ученые демонстрируют, что литиация материала происходит как процесс ядро-оболочка, равномерно прогрессирующий от поверхности частицы к ядру. Материал, подвергающийся этой реакции, расширяется линейно с накопленным зарядом. Рентгеновские изображения показывают, что зарядка необратимо разрушает структуру частицы, внутри частицы образуются трещины. «Это образование трещин не случайно», — подчеркивает Эбнер.
Трещины растут в местах, где кристаллическая решетка содержит уже существующие дефекты. Во время разряда объем частиц уменьшается; однако материал не возвращается в исходное состояние; поэтому процесс не является полностью обратимым.
Изменение объема отдельных частиц приводит к расширению всего электрода с 50 микрометров до 120 микрометров. Однако во время разряда электрод сжимается только до 80 микрометров. Эта постоянная деформация электрода демонстрирует, что полимерное связующее, удерживающее электрод вместе, еще не оптимизировано для материалов с большим объемным расширением. Это критически важно для характеристик батареи, поскольку деформация связующего материала приводит к отсоединению отдельных частиц от электрода, и батарея теряет емкость.
Помимо демонстрации того, что рентгеновская томографическая микроскопия дает представление о морфологических изменениях в частицах и электродах, исследователи показывают, что этот метод также можно использовать для получения количественной и пространственно разрешенной химической информации. Например, исследователи анализируют химический состав электрода батареи, чтобы посмотреть на различия в динамике литиирования на уровне отдельных частиц и сравнить это со средним поведением частиц.
Этот подход важен для понимания влияния размера, формы и однородности электродов на характеристики батареи.Такое понимание работы батареи было бы невозможно без высокотехнологичной рентгеновской томографии в Swiss Light Source. «Визуализировать работу батарей было практически невозможно до недавних достижений в области рентгеновской томографии. Благодаря оборудованию мирового класса, разработанному профессором Стампанони и его командой, мы можем наблюдать за работой батареи», — с энтузиазмом добавляет Вуд.Альтернативы кристаллическим материалам
Исследователи выбрали кристаллический оксид олова в качестве модельного материала, потому что он претерпевает ряд сложных превращений, присутствующих также в других материалах, что позволяет глубже понять поведение различных материалов батарей. Полученные данные создают основу для разработки новых электродных материалов и электродных структур, устойчивых к объемному расширению. Для Вуда результаты этой работы указывают на преимущество использования аморфных или наноструктурированных материалов вместо кристаллических. «В поисках новых материалов необходимо также учитывать, что они представляют промышленный интерес только в том случае, если их можно производить в больших количествах по низкой цене.
Однако аморфные и наноструктурированные материалы представляют собой достаточную площадку для инноваций». подчеркивает Вуд.