Проведены исследования процессов внутри литий-ионных аккумуляторов с анодом из сплава
Литий-ионные аккумуляторы используются в различной мобильной электронике и всё чаще в электромобилях. Перед учеными сегодня стоит задача сделать их как можно легче, меньше, дешевле и ускорить процесс зарядки. С этой целью специалисты по всему миру разрабатывают новые материалы для электродов в литиевой электрохимической системе. Ведется поиск материалов, способных хранить большее число ионов лития в одном объёме.
Фото: Penn Engineering
Одним из перспективных решений является применение сплав для создания отрицательного электрода (анода). Утверждается, что анод из кремния может хранить в 10 раз больше ионов лития по сравнению с анодом из графита, который используется в современных вариантах коммерческих литий-ионных аккумуляторов. Это значит, что при доведении такой системы дома, можно будет в 10 раз уменьшить и сделать анод легче.
Однако пока аноды из кремния не получили распространения. Отчасти причина в том, что при интеркаляция ионов лития в частицы кремния начинает расширять и разрушать этот материал. В результате аккумулятор выходит из строя после нескольких циклов заряда и разряда. Специалисты считают, что уменьшение размера до наночастиц (нанопористый кремний) снижает подобную деградацию, но как действует этот механизм до конца непонятно.
Исследование на этот счёт были проведены недавно исследователями Penn Engineering. Результаты были опубликованы в ACS Energy Letters. Им удалось выявить сложный электрохимический процесс, который происходит на уровне наночастиц при заряде и разряде литий-ионного аккумулятора с анодом из кремния. Эта работа считается важной, поскольку может понять препятствия на пути использования многообещающего класса материалов для аккумуляторов.
Используя современные методы визуализации и высококонтрастное золото вместо кремния, специалистам удалось показать, как выглядят части анода в окружении химического слоя литиевых частиц. Он увеличивается при каждом цикле заряда и разряда, пока не разрушает анод.
Исследованием руководил доцент кафедры материаловедения и инженерии Эрик Деци (Eric Detsi) вместе с научными сотрудниками Джоном Корси (John Corsi) и Сэмюэлем Велборном (Samuel Welborn). Они также работали вместе с руководителем лаборатория исследования структуры материи профессором Эриком Стахом (Eric Stach).
Литий-ионные аккумуляторы накапливают энергию за счёт протекания электрохимической реакции между литием из положительного электрода (катод) и материалом анода. В процессе заряда ионы лития физически внедряются в пространство решётки анода. При дальнейшем процессе разрядки ионы лития удаляются из кристаллической решетки анода. В случае с анодом из сплава, а не графита, очень быстро происходит разрушение.
Базовая модель процесса деградации анода из сплава, показано на картинке ниже (верхняя часть). Когда происходит заряд, частицы кремния (показаны голубым цветом) растут в размерах при поглощении ионов лития. Вокруг литийсодержащих кремниевых частиц (показаны тёмно-синим цветом) также образуется межфазный слой твердого электролита (показан серым цветом). При разрядке аккумулятора этот слой разрушается.
Фото: Penn Engineering
Проведённое исследование даёт понимание причин деградации. Образующийся вокруг литийсодержащих кремниевых частиц слой разрушается при разрядке и оставляет частицу пористой. В результате после нескольких раз заряд и разряда кристаллическая структура разрушается.
Исследователи говорят, что в описанных процессах существует несколько промежуточных этапов. А также они отмечают, что процесс отличается при использовании плотного и нанопористого кремния. Последний лучше противостоит описанному процессу деградации. Но тщательного изучения данных процессов пока нет. Для этого требуется использование кремниевых структур больших масштабов. Как сказал Эрик Деци, при проведении исследовательских работ они использовали комбинацию просвечивающей электронной микроскопии и методику рассеяния рентгеновских лучей. Это позволило наглядно изучить деградацию анодов из сплава литий-ионных аккумуляторов при заряде и разряде.
Сэмюэль Велборн добавил, что вместо кремия они использовали золото, поскольку оно обеспечивает лучший контраст при электронной микроскопии. Благодаря этому удалось чётко определить межфазное поверхностное покрытие из твердого электролита (SEI). Это слой вокруг литийсодержащих содержащих частиц (был показан серым цветом на изображении выше), образующихся при заряде аккумулятора. Кроме того, золото рассеивает больше рентгеновских лучей по сравнению с кремнием. Это обеспечило лучшее обнаружение изменений в структуре катода при заряде и разряде.
При проведении исследований команда ученых использовала установку электронной микроскопии в центре нанотехнологий Сингха, а также установку двойного источника и рассеяния рентгеновских лучей. Результаты, полученные с помощью этих двух установок, обеспечили большой объём данных, который позволил наблюдать и описать весь процесс деградации анода из сплава.
Используемое оборудование позволило увидеть ключевой этап процесса ─ формирование толстого слоя SEI на пористой поверхности используемого золота. Как говорит Корси, ионы лития при заряде переходили в кристаллическую решётку золота. Его структура увеличивается в объёме и разрывается. В результате частички застревают в окружающем слое SEI. В процессе разряда кристаллическая структура сжимается, когда из неё уходят ионы лития. В результате происходит сжатие и разрушение слоя SEI, который содержит застрявшие в нём частицы материала электрода.
Фото: Penn Engineering
Когда аккумулятор снова заряжается, на поверхности литийсодержащих частиц снова образуется слой SEI. Он собирает всё больше частиц анода, образующихся в результате разрушения. Повреждения быстро накапливаются при повторяющихся циклах заряда и разряда. Затем происходит отрыв больших кусков электрода, что и становится причиной выхода аккумулятора из строя.
Исследователи полагают, что данные результаты, полученные для нанопористого золота, помогут при дальнейших исследованиях анодов из кремния и олова. Понимание механизма деградации анода и управления им постепенно позволит создавать материалы для анода с высокой энергетической плотностью.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
