Ученым удалось получить изображения разрушений внутри литий-металлических аккумуляторов
Специалисты работают над созданием надёжных литий металлических аккумуляторов на протяжении нескольких десятилетий. Этот вариант литиевых аккумуляторных батарей имеет на 50% больше энергетической плотности по сравнению с литий-ионными аналогами. Но при их использовании существует проблемы безопасности и высокий риск отказов. Они склонны к воспламенению и взрывам, что препятствует их коммерциализации. Существует немало гипотез, почему литий-металлические аккумуляторы быстро выходят из строя. Однако однозначных прямых доказательств на данный момент мало.
Недавно специалисты сделали первые изображение на уровне наночастиц внутри литий-металлических аккумуляторных батарей. Для этого использовались, так называемые, «таблетки» или батарейки для часов. Учёные бросили вызов существующим теориям в этой сфере. Они считают, что их эксперимент поможет выпустить в будущем высокопроизводительные аккумуляторы для электромобилей с высокой энергетической плотностью.
Учёные Sandia при сотрудничестве с Thermo Fisher Scientific Inc., университетом Орегона и Национальной лабораторией Лоуренса Беркли провели исследования и опубликовали изображение внутри литий-металлических аккумуляторов в журнале ACS Energy Letters. Данные эксперименты финансировались программой исследований и разработок Sandia, а также Министерством энергетики США. Руководитель команды Sandia National Laboratories Кэти Харрисон (Katie Harrison) по результатам исследования сказала, что в данном типе аккумуляторов следует использовать разделительные материалы, которые адаптированы для металлического лития.
Накопление внутренних побочных продуктов, которые приводят к выходу аккумуляторов из строя
Группа исследователей проводила неоднократный заряд-разряд литий металлических аккумуляторов электрическим током, уровень которого соответствует тому, что используется при зарядке электромобилей. Они установили, что некоторые образцы прошли всего несколько циклов, а другие выдержали более сотни циклов заряд-разряд. И те и другие были отправлены на анализ в лабораторию Thermo Fisher Scientific (Хиллсборо, штат Орегон).
При изучении внутренней части аккумуляторных батарей специалисты ожидали увидеть отложение металлического лития в виде иголок. Большинство специалистов по литий-металлическим аккумуляторам считают, что после определенного количества циклов заряд-разряд образуются литиевые иголки, которые пробивают пластиковый сепаратор между анодом и катодом. В результате образуются мостик, вызывающий короткое замыкание. Однако литий является мягким металлом и некоторые учёные считают, что он не может пробить сепаратор.
Команда Кэти Харрисон обнаружила нового виновника разрушения аккумуляторной батареи. Он представляет собой твердые наросты, образующиеся в качестве побочного продукта внутренних химических реакций. При этом каждым циклом заряда и разряда количество побочного продукта увеличивалось. Он получил название межфазного твердого электролита. Это вещество окружало литиевые частицы и прорывало отверстие в сепараторе. В результате образовывались отверстия для металлических отложений, которые увеличились в объеме и приводили к короткому замыканию. Отложения лития и образование побочного продукта действуют значительно более разрушительно, чем считалось ранее.
После получения данных исследований Харрисон заявила, что после циклирования сепаратор аккумулятора оказался полностью измельченным. Она также добавила, что этот механизм наблюдался лишь при высоких скоростях зарядах, которые требуются для использования на аккумуляторах электромобилей. На низких скоростях заряда этого эффекта не наблюдалось. Специалисты Sandia считают, что нужно не только модифицировать материалом сепаратора, но также проводить дальнейшие исследования с целью снижения образования побочных продуктов на аккумуляторе.
Для получения изображений использовались лазеры с криогеникой
В ходе исследований оказалось, что определить причину выхода из строя литиевой «таблетки» довольно сложно. Проблема здесь заключается в том, что аккумулятор заключён в корпус из нержавеющей стали. Эта металлическая оболочка препятствует таким средствам диагностики, как рентгеновское излучение. В случае удаления внутренностей аккумулятора для проведения исследования приводит к разрыву материалов и искажает информацию, которая может быть внутри. Поэтому для изучения процессов использовалось оборудование национальных лабораторий Сандиа и Лос-Аламос.
Представитель центра интегрированных нанотехнологий Sandia Кэти Юнгджоханн (Katie Jungjohann) сказала, что в их организации существуют разные инструменты, с помощью которых можно изучать отдельные компоненты аккумулятора. Проблемой было отсутствие инструмента, который бы позволил вывести всю информацию на одном изображении.
Юнгджоханн с коллегами использовали микроскоп с лазером для фрезерования внешнего корпуса аккумулятора. Он был соединен с держателем, который сохранял жидкий электролит ячейки замороженным при температуре от -120 до -100 градусов по Цельсию. С помощью лазера они делали достаточно большое отверстие, чтобы электронный луч смог пройти и отразиться. В результате было получено изображение с высоким разрешением, которое демонстрировало внутреннее поперечное сечение аккумулятора. Детализации было достаточно для различия материалов.
До недавнего времени такой оригинальный прибор являлся единственным подобным инструментом в США. Он находится в лаборатории Thermo Fisher Scientific в Орегоне. Теперь ещё один вариант имеется в распоряжении специалистов Sandia. Его планируют использовать для решения всевозможных проблем с материалами и анализом их разрушения. По словам Юнгджоханн, это настоящий подарок для специалистов, изучающих аккумуляторы.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
