Ученые провели испытание аккумуляторов при помощи рентгеновского микроскопа

С целью дальнейшего увеличения ёмкости литий-ионных аккумуляторов учёные во всём мире разрабатывают новые катодные материалы. Используются многослойные оксиды переходных металлов, в которых высокое содержание лития (LRTMO). Эти материалы обеспечивают высокую энергетическую плотность аккумулятора, но их ёмкость довольно быстро падает во время циклических зарядов и разрядов. Это объясняется структурными и химическими изменениями материала.

Литий-ионные аккумуляторные батареи с новыми катодными материалами должны стать ещё более мощными и энергоёмкими. LRTMO могут применяться в высокопроизводительных литиевых батареях. Но на данный момент их развитие таково, что они быстро деградируют во время зарядки и разрядки из-за возвратно-поступательной миграции ионов лития. Пока учёным не было ясно, какие изменения влечёт за собой этот процесс.

Группа специалистов из научно-исследовательских институтов Китая провели исследования на единственном в мире рентгеновском микроскопе (TXM). Они исследовали образцы материалов при помощи наноспектроскопии и томографии. Измерения HZB-TXM были выполнены доктором Петером Гуттманном ещё в 2019 году. После этого рентгеновский микроскопический анализ дополнили некоторыми микроскопическими и спектроскопическими исследованиями. Была проведена тщательная оценка всех данных. Теперь результаты представляют подробную информацию об изменениях в структуре и морфологии катодного материала. Кроме того, учёным в новом свете открылись химические процессы, происходящие во время заряда и разряда.

Доктор Стефан Вернер, который отвечает за научное руководство и развитие рентгеновского микроскопа, отметил, что мягкая рентгеноскопия позволяет провести визуализацию химического состояния частиц LRTMO в трех измерениях с высоким пространственным разрешением. Это открывает перед учёными представления о происходящих реакциях во время электрохимического цикла.

Используя новый прибор можно получить представление о локальных искажениях решётки, которые связаны с образованием нанопор и фазовыми переходами. К тому же, можно локально определить степень окисления отдельных элементов. Важную роль здесь играет скорость заряда. Заряд приводит к искажениям решётки и вызывает неоднородную диффузию лития.

В TXM имеется уникальная возможность представления трансмиссионной рентгеновской томографии с энергетическим разрешением. По словам создателей микроскопа, это обеспечивает трёхмерное изображение со структурной информацией на каждом энергетическом уровне. Они утверждают, что энергия в данном случае является четвёртым измерением.

Доктор Стефан Вернер, который отвечает за научное руководство и развитие рентгеновского микроскопа, отметил, что мягкая рентгеноскопия позволяет провести визуализацию химического состояния частиц LRTMO в трех измерениях с высоким пространственным разрешением. Это открывает перед учёными представления о происходящих реакциях во время электрохимического цикла.

Используя новый прибор, можно получить представление о локальных искажениях решётки, которые связаны с образованием нанопор и фазовыми переходами. К тому же, можно локально определить степень окисления отдельных элементов. Важную роль здесь играет скорость заряда. Заряд приводит к искажениям решётки и вызывает неоднородную диффузию лития.

В TXM имеется уникальная возможность представления трансмиссионной рентгеновской томографии с энергетическим разрешением. По словам создателей микроскопа, это обеспечивает трёхмерное изображение со структурной информацией на каждом энергетическом уровне. Они утверждают, что энергия в данном случае является четвёртым измерением.

Профессор Герд Шнайдер, разработавший TXM, говорит, что результаты проведённого исследования представляют ценную информацию для разработки высокопроизводительных катодов. Это материалы, которые остаются стабильными в течение продолжительного времени и при длительном циклировании. TXM идеально подходит для получения новых знаний о химических и морфологических изменениях в катодных материалах аккумуляторов. Он ещё не раз пригодится при изучении процессов заряда и разряда аккумуляторных батарей.