Появилась лабораторная методика для слежения за ионами лития в аккумуляторах

Исследователи из Кембриджского университета разработали простую лабораторную технику, позволяющую заглянуть внутрь литий-ионного аккумулятора и отслеживать перемещение ионов лития в реальном времени в процессе заряда-разряда. Используя это оборудование, они определили процессы, которые ограничивают скорость заряда. Если их устранить, то литий-ионные аккумуляторы ноутбуков и смартфонов смогут заряжаться за несколько минут.

Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы имеют ряд преимуществ (относительно высокая энергетическая плотность и длительный срок эксплуатации по сравнению с прочими типами АКБ), они довольно дорого стоят  и требуют определенных мер предосторожности при использовании. Как говорит соавтор исследования доктор Кристоф Шнедерманн (Christoph Schnedermann) из Кембриджской лаборатории Кавендиша, следующее поколение аккумуляторов должно хранить значительно больше энергии, а также обеспечивать высокую скорость заряда. Чтобы добиться этого, специалистам нужно чёткое понимание происходящего внутри литий-ионного аккумулятора. Именно на это и была направлена выполненная работа.

В настоящее время для отслеживания процессов внутри аккумуляторов в реальном времени применяются сложные методы электронной или синхротронной рентгеновской микроскопии, которые являются дорогостоящими и отнимают много времени. Поэтому, как говорит Элис Мерривезер (Alice Merryweather), аспирант Кэвендишской лаборатории Кембриджа, исследователи решили заставить микроскоп работать следующим образом. Прибор должен был отслеживать процесс зарядки и разрядки аккумулятора в течение нескольких часов и при этом очень быстро фиксировать процессы, которые происходили внутри.

Команда исследователей из Кембриджа разработала метод оптической микроскопии, который был назван микроскопией интерферометрического рассеяния. Он и позволил наблюдать данные процессы, происходящие в литий─ионном аккумуляторе, в реальном времени. Им удалось отслеживать отдельные частицы оксида литий кобальта (LCO) при заряде-разряде, посредством измерения количества рассеянного света.

Специалисты увидели, как LCO претерпевает серию фазовых переходов при циклировании заряд-разряд. По мере того, как входят и выходят ионы лития, перемещаются фазовые границы внутри частиц LCO. Ученым удалось установить, что механизм движущейся границы отличается в зависимости от того, что происходит, заряд или разряд аккумулятора.

Руководитель исследования доктор Акшай Рао (Akshay Rao) из лаборатории Кавендиша отметил, что существуют разные ограничения скорости процесса для литий-ионных аккумуляторов в зависимости от заряда или разряда. В процессе заряда скорость зависит от того, насколько быстро ионы лития проходят через частицы активного материала. В случае разряда скорость зависит от того, насколько быстро ионы лития вставляются по краям. Именно это, по его мнению, нужно научиться контролировать. Тогда литий-ионные аккумуляторы можно будет заряжать намного быстрее.

Доктор Кристоф Шнедерманн говорит, что после нескольких десятилетий использования остаются некоторые пробелы в знаниях о процессах, происходящих в литий-ионных аккумуляторах. Разработанная методика позволяет наглядно увидеть, что ограничивает скорость заряда и разряда этих батарей. Он считает, что полученный способ контроля послужит для изучения материалов при создании аккумуляторов следующего поколения.

Профессор Клэр Грей (Clare Grey) из Кембриджского химического факультета Юсуфа Хамиеда отметил, что разработанная методика является довольно общим способом изучения динамики ионов в твердотельных материалах. Поэтому при определённой корректировке эту методику можно использовать практически для любых материалов аккумуляторов.

Полученный способ имеет высокую пропускную способность, что позволяет отбирать пробы множества частиц по всему электроду. В дальнейшем это позволит видеть, что произошло при выходе аккумуляторной батареи из строя, и как это можно было предотвратить. Шнедерманн считает, что этот лабораторный метод предлагает большие возможности для контроля за технологией, а также скоростью заряда и разряда. Такие возможности даёт отслеживание изменения фазовых границ в реальном времени.