Исследователям удалось получить изображения границы SEI в аккумуляторе
Учёным удалось сделать реалистичные изображения SEI (solid-electrolyte interphase) крупным планом. Это так называемая «граница твёрдое-электролит», которая образуется на анодах из металлического лития в результате химических реакций с электролитом. Понимание, как выглядит SEI, поможет ученым улучшить конструкцию в аккумуляторах следующего поколения. Например, увеличить хранение заряда на определённом пространстве электрода. Это позволит увеличить ёмкость и токоотдачу аккумуляторных батарей.
Электролит в результате химических реакций постепенно разъедает поверхность литиевого анода и тот покрывается тонким слоем SEI. Образование SEI по границе электролит-анод считается неизбежным, но исследователи надеются научиться стабилизировать и контролировать рост этого слоя, чтобы максимально увеличить производительность аккумулятора. До сих пор у ученых не было чёткого представления о том, как выглядит SEI. Недавно сотрудники из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США и Стэндфордского университета сделали первые изображения слоя SEI в высоком разрешении. На снимках он показан в своем естественном мягком и пухлом состоянии. Изображение удалось сделать благодаря криогенной электронной микроскопии (крио-ЭМ), которая позволяет выявлять даже такие мелкие сущности, как атомы.
Результаты проведённой работы демонстрируют, что правильный электролит может свести к минимуму вздутие слоя SEI и улучшить производительность аккумулятора. Это даст учёным новый способ настройки и улучшения характеристик аккумуляторных батарей. С помощью этих изображений они также получают новый инструмент для изучения взаимодействия электролита и анода. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
Руководитель проведённого эксперимента, Зевен Чжан (Zewen Zhang) сказал, что сейчас больше нет никаких других технологий, которые позволяют увидеть слой между электролитом и электродом с таким высоким разрешением. Им удалось отобразить SEI в недоступных ранее масштабах и увидеть естественное состояние материалов. Профессор Йи Цуи (Yi Cui) добавил, что представленная на фото картина является практически универсальной. Но раньше не было широкой оценки этого явления сообществом исследователей аккумуляторов. Учёным удалось обнаружить, что SEI оказывает существенное влияние на мощность и ёмкость аккумуляторов.
Крио-ЭМ — отличный инструмент для исследования аккумуляторов
Изначально крио-ЭМ разрабатывался в качестве инструмента для биологических исследований. Однако он открывает прекрасные возможности для исследования аккумуляторов, писали члены исследовательской группы в своём обзоре ранее. Крио-ЭМ они называют разновидностью электронной микроскопии, предназначенной для наблюдения за миром очень маленьких частиц. Посредством мгновенной заморозки образцов до прозрачного стекловидного состояния ученые могут наблюдать за клеточными механизмами, выполняющими жизненные функции в их естественном состоянии и с атомарным разрешением.
Недавно были проведены усовершенствования крио-ЭМ, которые превратили этот инструмент востребованный метод выявления биологической структуры. Трое учёных даже были удостоены Нобелевской премии по химии 2017 года за вклад в разработку этой методики.
Исследователи из Стэндфордского университета объединили свои усилия с целью выяснения, может ли крио-ЭМ быть таким же полезным инструментом для изучения материалов, связанных с энергией, как и для изучения живых систем. Своё внимание они сразу обратили на слой SEI на электроде аккумулятора.
Первые изображения этого слоя в атомном масштабе они опубликовали и еще в 2017 году вместе с изображениями пальцевидных наростов литиевой проволоки. Эти наросты могут пробивать барьер между анодом и катодом, что приводит к короткому замыканию или возгоранию. Однако чтобы сделать изображение в 2017 году, им пришлось вынуть электроды из электролита и сфотографировать SEI уже в сморщенном высохшем состоянии. Как этот слой выглядел во влажном состоянии внутри работающего аккумулятора, они не знали до недавнего времени.
Чтобы получить фотографии слоя SEI в его естественной среде исследователи решили сделать и заморозить очень тонкие плёнки жидкого электролита, которые содержали в себе крошечные литий-металлические проволоки. Эти пленки обеспечивали необходимую поверхность для коррозии и образования SEI на поверхности электрода.
Сначала они поставили металлическую сетку, используемую для хранения образцов крио-ЭМ, в аккумулятор типа «таблетка». Тонкие пленки электролита цеплялись за крошечные круглые отверстия в сетке. Они удерживались на месте за счёт поверхностного натяжения в течение времени, необходимого для выполнения эксперимента. Плёнки оказались слишком толстыми, чтобы электронный луч мог пройти через них и обеспечить четкое изображение. Поэтому исследователи решили удалить лишнюю жидкость при помощи промокательной бумаги.
Подготовленная таким образом сетка погружалась в жидкий азот для замораживания плёнки до стеклообразного состояния. В ней прекрасно сохранился слой SEI в своём естественном состоянии. Все эти манипуляции исследователи проводили в закрытой системе, которая предотвратила воздействие воздуха на плёнки.
В такой влажной среде SEI поглощал электролит и набухал. Команда ученых повторила весь процесс с несколькими другими электролитами разного химического состава. Им удалось обнаружить, что некоторые из этих электролитов давали более толстые слои SEI. В тех аккумуляторах, где слой набухал больше всего, были самые плохие характеристики. Чжан отметил, что связь между толщиной SEI и характеристиками аккумулятора уже заметна на литий-металлических анодах. Он также выразил уверенность, что это правило применимо и к другим металлическим анодам.
Для исследования поверхности слоёв SEI учёные использовали сверхтонкий наконечник атомно-силового микроскопа (AFM). При этом они убедились, что во влажном набухшем в состоянии SEI является более мягким, чем в сухом.
С того момента, как в статье 2017 года была показана возможность использования крио-ЭМ для исследования материалов в энергетических системах, метод применялся для получения изображений солнечных элементов, а также клеточных молекул. Последние являются металлоорганическими каркасами, которые можно использовать в топливных элементах, при катализе и т. п.
Насчёт дальнейших планов исследования учёные говорят, что собираются найти способ изображения этих материалов в 3D. Кроме того, для получения наиболее реалистичного изображения они хотят сделать снимки внутри работающего аккумулятора. Часть этой исследовательской работы была выполнена в Stanford Nano Shared Manufacturing (SNSF) и Stanford Nanofabrication Facility (SNF). Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
