Учёные разработали новый метод количественного определения ионной проводимости

Исследователи из группы NIMS разработали новую технику для визуализации границ зёрен, которые препятствуют миграции ионов лития в твердотельных аккумуляторах. Этот тип аккумуляторных батарей является многообещающей разновидностью электрохимической системы будущего поколения. Твердотельные аккумуляторы являются более безопасными и имеют более высокую энергетическую плотность по сравнению со стандартными литий-ионными АКБ нынешнего поколения.

Основной проблемой современных твердотельных аккумуляторов является препятствие для миграции ионов лития на границе между твёрдым электролитом и активными материалами. Кроме того, проблема также наблюдается на границах зёрен в твёрдом электролите. Из-за этого уменьшается скорость разряда и заряда аккумуляторной батареи, а также снижается энергетическая плотность. Твёрдый электролит представляет собой материал из кристаллических зерен и границ между ними. Имеющиеся на данный момент методы оценки ионные проводимости дают возможность измерять только среднюю величину. Они не позволяют количественно оценить проводимость ионов на границах отдельных зерен. Поэтому исследователи не могут найти границы, которые ограничивают миграцию ионов лития.

Учёным удалось визуализировать и в количественном отношении оценить ионную миграцию/диффузию на границах отдельных зерен в твердом электролите. Для этого использовалась масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS). С помощью SIMS можно получать изображения распределения химических элементов в образце твёрдого электролита. Это делается посредством распыления поверхности образца сфокусированным пучком первичных ионов, а также с помощью сбора и анализа выброшенных вторичных ионов.

Исследователи сначала заменили часть стабильного изотопа лития ⁷Li (массовое число: 7, естественное содержание: 92%), составляющего образец электролита, на другой изотоп лития, ⁶Li (массовое число: 6, естественное содержание: 8%). Это делалось на краю образца методом изотопного обмена. После этого исследователи с помощью SIMS наблюдали диффузию ⁶Li внутри образца. Невозможно было отобразить и количественно оценить распределение быстродиффундирующего ⁶Li с помощью обычного SIMS. Поэтому учёные существенно замедлили диффузию ⁶Li за счет охлаждения образца (т.е. крио-SIMS). В результате, им удалось точно измерить распределение ⁶Li и идентифицировать границы зерен, которые являются узкими местами для ионной миграции.

Метод крио-SIMS можно использовать для наблюдения за литий-ионной диффузией, выявления границ раздела и границ зерен, которые выступают в роли узких мест среди множества границ, имеющихся в твёрдотельном электролите. В результате учёные могут определить причины существующих препятствий и проблем. Этот подход будет способствовать разработке более высокопроизводительных твердотельных аккумуляторов. Исследование проводилось группой учёных под руководством Гена Хасэгавы (Исследовательский центр энергетики и экологических материалов (GREEN)) и Наоаки Кувата (GREEN, NIMS). Работа была поддержана грантами и специальными программами по этому направлению.