Исследователи из Оксфордского университета совершили прорыв, который может привести к созданию литий-ионных аккумуляторов с гораздо более быстрой зарядкой и увеличенным сроком службы. Они разработали передовую методику, позволяющую впервые чётко увидеть и проанализировать критически важный, но ранее «невидимый» компонент внутри электродов батареи — полимерные связующие вещества. Это открытие, опубликованное в журнале Nature Communications, способно революционизировать процесс производства аккумуляторов и оптимизировать их ключевые характеристики.
Полимерные связующие действуют как клей, скрепляющий материалы отрицательного электрода (анода). Несмотря на то что они составляют менее 5% от его общего веса, эти вещества напрямую влияют на механическую прочность, электрическую проводимость и, что самое важное, на то, сколько циклов зарядки-разрядки сможет выдержать батарея. Десятилетиями учёные не могли точно определить, как именно распределены эти связующие внутри электрода, что серьёзно ограничивало возможности для тонкой настройки производительности.
Чтобы преодолеть это препятствие, оксфордская команда создала запатентованную методику окрашивания. Она присоединяет отслеживаемые маркеры из серебра и брома к широко используемым связующим на основе целлюлозы и латекса. После такой «метки» связующие можно детектировать с помощью специальных методов электронной микроскопии и рентгеновской спектроскопии, получая подробные карты их распределения с нанометровой точностью. Этот метод работает как со стандартными графитовыми электродами, так и с перспективными материалами на основе кремния.
Кремний считается перспективным материалом для анодов, поскольку его теоретическая удельная ёмкость примерно в 10 раз выше, чем у традиционного графита, что может значительно увеличить энергоёмкость аккумуляторов. Однако его широкому внедрению препятствуют серьёзные проблемы: сильное разбухание и сжатие при заряде-разряде, ведущее к механическому разрушению, нестабильное формирование твёрдого электролитного интерфейса и низкая электропроводность. Новая методика визуализации может помочь в решении этих задач, позволяя увидеть распределение связующих, которые играют ключевую роль в стабилизации структуры анода.
Применение нового инструмента визуализации привело к важным открытиям. Оказалось, что даже незначительные изменения в распределении связующего могут радикально улучшить характеристики батареи. В экспериментах корректировка этапов смешивания и сушки электродной пасты позволила снизить внутреннее ионное сопротивление электродов на целых 40%, что является главным барьером для быстрой зарядки. Учёные также впервые увидели, как равномерное нанометровое покрытие из связующего (карбоксиметилцеллюлозы) разрушается в процессе производства на неравномерные фрагменты, что объясняет потерю стабильности и производительности.
Эта междисциплинарная работа поддержана проектом Nextrode Института Фарадея — ведущего британского центра электрохимических технологий. Данная исследовательская инициатива направлена на разработку передовых методов производства электродов, в частности с использованием сухого нанесения покрытий для повышения эффективности и снижения затрат. Институт Фарадея также поддерживает широкий спектр исследований в области аккумуляторов, включая разработку твердотельных батарей, переработку материалов, новые химические составы (например, натрий-ионные аккумуляторы) и применение искусственного интеллекта для оптимизации процессов. Новая методика оксфордских учёных, вызвавшая значительный интерес со стороны индустрии, открывает «инструментарий» для глубокого понимания процессов на поверхности электродов, что будет двигать вперёд разработку как современных, так и аккумуляторов следующего поколения.
Источник: Oxford breakthrough could make lithium-ion batteries charge faster and last much longer