Ученые из Оксфордского университета совершили прорыв в исследовании литий-ионных аккумуляторов, разработав методику, которая позволяет в деталях рассмотреть критически важный, но ранее невидимый компонент внутри электродов. Это открытие, опубликованное в журнале Nature Communications, может кардинально улучшить процесс производства батарей, значительно увеличить скорость их зарядки и продлить общий срок службы.
Долгое время главной проблемой для инженеров были полимерные связующие — особый "клей", который скрепляет активные материалы в отрицательном электроде (аноде). Хотя на их долю приходится менее 5% массы электрода, именно от их распределения зависят механическая прочность, электропроводность и, в конечном счете, долговечность аккумулятора после тысяч циклов зарядки. Однако из-за микроскопических количеств и отсутствия четких визуальных признаков ученые не могли точно отследить, как именно эти связующие расположены внутри сложной структуры электрода.
Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи создали запатентованную методику окрашивания. Они присоединили следовые маркеры из серебра и брома к широко используемым связующим на основе целлюлозы и латекса. После такой "метки" связующие можно детектировать с помощью специального электронного микроскопа, который регистрирует характерное рентгеновское излучение или отраженные электроны. Это дает подробную карту распределения элементов с нанометровым разрешением.
Применение нового инструмента визуализации принесло впечатляющие результаты. Команда обнаружила, что даже незначительные изменения в распределении связующего, достигнутые за счет корректировки процесса смешивания и сушки, могут снизить внутреннее ионное сопротивление экспериментальных электродов на целых 40%. Это прямо ведет к возможности более быстрой зарядки. Ученым также впервые удалось четко увидеть и измерить сверхтонкие, толщиной всего 10 нанометров, слои связующего (карбоксиметилцеллюлозы), покрывающие частицы графита, и отследить, как это равномерное покрытие разрушается в процессе производства.
Эта междисциплинарная работа, объединившая химию, электронную микроскопию и электрохимическое моделирование, уже привлекла значительный интерес со стороны индустрии, включая крупных производителей аккумуляторов и электромобилей. Методика применима как к современным графитовым электродам, так и к перспективным материалам следующего поколения, например, на основе кремния. Кремний рассматривается как крайне перспективный материал для анодов, поскольку теоретически способен хранить примерно в 10 раз больше лития, чем графит, что сулит значительное увеличение ёмкости. Однако его широкое внедрение сдерживает серьёзная проблема: при поглощении лития кремний может расширяться до 300%, что ведет к разрушению электрода. Текущие исследования по всему миру направлены на решение этой задачи, и новая оксфордская методика визуализации может стать для них ключевым инструментом.
Исследование было поддержано проектом Nextrode Faraday Institution. Faraday Institution — ведущий британский независимый институт, координирующий и финансирующий широкий спектр проектов в области науки об аккумуляторах и технологий хранения энергии. Помимо работ по улучшению литий-ионных батарей, институт поддерживает разработку твердотельных аккумуляторов, исследования по переработке материалов, а также проекты, нацеленные на снижение стоимости и увеличение срока службы батарей для электромобилей и энергосистем. Это открытие из Оксфорда открывает новые пути для проектирования более эффективных, долговечных и быстро заряжающихся источников энергии для самых разных устройств.
Источник: Oxford breakthrough could make lithium-ion batteries charge faster and last much longer