Исследователи из Германии провели точный анализ пространственного заряда в твердотельных аккумуляторах

Исследователи из Института исследований полимеров Общества Макса Планка (MPI-P) совместно с коллегами из ряда японских университетов изучали влияние пространственного заряда на твердотельные аккумуляторы. Проведённое ими исследование открывает возможность создания более мощных аккумуляторов в дальнейшем. Представители MPI-P сообщают, что при сотрудничестве с японскими коллегами им удалось изучить явление эффекта в пространственного заряда. Оно даёт дополнительное сопротивление при зарядке и разрядке твердотельных аккумуляторов.

При проведении исследований группа учёных использовала передовые микроскопические методы. Они заявляют, что удалось впервые определить пространственную протяженность и результирующее сопротивление зоны пространственного заряда. Как отмечают исследователи, раньше влияние пространственного заряда снижало производительность твердотельных аккумуляторов. При этом он формировался на положительном электроде. Исследование позволило найти основу для снижения этого влияния посредством модификации структуры или материалов электродов. Результаты проведённой работы группа учёных опубликовала в журнале «ACS Nano».

Руководитель группы в MPI-P, Рюдигер Бергер, говорит, что аккумулятор является своего рода насосом. Ионы или заряженные атомы движутся внутри аккумулятора. Во время миграции ионов внутри аккумулятора на внутренних границах раздела может образовываться слой пространственного заряда, который отталкивает прочие мигрирующие ионы. И этот слой создаёт дополнительное сопротивление и потери внутри аккумулятора.

Группа немецких учёных обнаружила, что данный эффект более выражен на положительном электроде. Там образуются слой заряда толщиной меньше 50 нанометров, который сравним с наиболее тонкой частью мыльного пузыря. Исследователи также обнаружили, что слой пространственного заряда динамичен. Его поведение меняется в зависимости от степени заряда аккумулятора. Этот слой составляет примерно 7% от общего сопротивления аккумуляторной батареи. Его влияние может существенно различаться в зависимости от используемых электролитных материалов.

Как заявляют в MPI-P, до сих пор размер зарядового слоя и его влияние на протекание тока оставались недостаточно изученными. Разные группы учёных по всему миру занимались изучением этого эффекта ранее. Но у них получались совершенно разные оценки толщины зарядового слоя в зависимости от использованного метода. Для решения проблемы международная группа исследователей под началом Бергера использовала два микроскопических метода. Они изучили, где и как формируется данный слой. По их данным, задача заключалась в анализе интерфейса модельной батареи в квазиреальном времени и при различных уровнях заряда.

Команда учёных создала тонкопленочную модель аккумулятора и провела её анализ с помощью зондовой силовой микроскопии Кельвина и анализа ядерных реакций. Учёные смогли просканировать поперечное сечение аккумулятора. Можно сказать, что это сечение аккумулятора, разрезанного тонкой иглой. В результате им удалось узнать больше информации о локальном влиянии напряжения и наблюдать электрические потенциалы в режиме реального времени. Они также обнаружили накопление лития на границе с положительным электродом аккумулятора благодаря проведению анализа ядерных реакций.

Обе методики являются новыми в сфере исследований аккумуляторов. Таро Хитосуги из Токийского университета сказал, что в будущем они могут быть использованы для решения прочих задач. Во время проведения дальнейших исследований команда учёных планирует определить методы снижения сопротивления и повышения производительности твердотельных аккумуляторов за счёт оптимизации материалов или структур электродов.