Учёным удалось понять причину потери производительности аккумуляторами

Длительное время учёные предполагали, что плёночные отложения на электродах внутри аккумуляторов являются причиной снижения их производительности. Однако теперь появился новый взгляд на эту проблему. Как оказалось, накопление мшистых и древовидных отложений является не единственной причиной снижения их производительности. Скорее, это можно назвать побочным эффектом.

Исследование проводилось сотрудниками исследовательской группы Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики (PNNL) США. Как говорят авторы, их работа показывает, что межфазная фаза твердого электролита (SEI) не является электронным изолятором, как считали учёные до этого. Они утверждают, что SEI ведёт себя как полупроводник. Им удалось разрешить вопрос того, как электрически функционирует SEI во время работы.

Один из руководителей исследования, Чонгмин Ван (Chongmin Wang), научный сотрудник лаборатории PNNL, утверждает, что полученные результаты окажут положительное влияние на разработку более долговечных аккумуляторов. Они помогут более тонкое настраивать электрохимические и физические свойства жидкого электролита. Ведь электролит недаром называют системой кровоснабжения работающего аккумулятора. Он также добавил, что более высокий уровень электропроводности приводит к увеличению толщины SEI со сложными формами твёрдого лития. В результате это приводит к уменьшению производительности аккумулятора.
 

Аккумулятор микроскопического размера опровергает представление о работе АКБ

Исследователи сосредоточились на изучении слоя SEI, который тоньше листа папиросной бумаги. Однако именно он имеет огромную роль при функционировании аккумуляторной батареи. SEI является плёночной мозаикой, которая выборочно пропускает заряженные ионы лития через создаваемую границу. Этот слой контролирует движение электронов, обеспечивающих прохождение тока через аккумулятор.

На новом аккумуляторе слой SEI формируется при первом цикле зарядки и в идеале остается стабильным в течение ожидаемого срока службы батареи. Однако если заглянуть внутрь использованного аккумулятора, то на отрицательных можно обнаружить существенное скопление твёрдого лития. Исследователи предполагают, что это накопление снижает производительность АКБ. Но причиной этого предположения было невозможность провести измерения, подтверждающие или опровергающие эту теорию.

Ван провёл исследование с ученым-материаловедом из группы аккумуляторных материалов и систем PNNL, У Сюй (Wu Xu), а также сотрудниками Техасского университета A&M и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Яобинь Сюй (Yaobin Xu) и Хао Цзя (Hao Jia). Существующую проблему они решили, разработав новую технику прямого измерения электропроводности через SEI. Для этого была создана экспериментальная система.

Команда учёных объединила трансмиссионную электронную микроскопию с наномасштабными манипуляциями, которые они выполняли с металлическими иглами внутри микроскопа. После этого исследователи замерили электрические свойства слоя SEI, который был сформирован на металлической меди или литии, для чего использовались четыре различных типа электролита.  Измерения показали, что при росте напряжения в аккумуляторе слой SEI во всех случаях пропускает электроны. Отсюда они сделали вывод, что это слой полупроводниковый.
 

Вывод учёных: углеродсодержащие молекулы теряют электроны и сокращается срок службы АКБ

Исследователям удалось зафиксировать поведение SEI, которое подобно полупроводникам. Ранее такого никогда не наблюдалось и они захотели понять, какие именно компоненты этого слоя отвечают за пропускание электронов. Они выяснили, что утечку электронов дают углеродсодержащие органические компоненты слоя SEI.

Их вывод заключается в следующем. Для продления срока службы аккумуляторов нужно свести к минимуму содержание органических компонентов в SEI. Ван отмечает, что даже небольшие изменения скорости проводимости через слой SEI могут привести к резким различиям в стабильности и эффективности функционирования аккумулятора.