Исследователи разработали способ, который позволит наблюдать под микроскопом за электродами в аккумуляторах, когда они «купаются» в жидкостных электролитах, имитируя реальные условия внутри настоящих аккумуляторов. В то время как ученые постоянно используют просвечивающую электронную микроскопию, чтобы изучать жидкостные среды, на этот раз они успешно применили эту технологию к исследованию аккумуляторных батареек.
Результаты, которые были опубликованы в журнале Nano Letters 11 декабря, очень полезны для исследователей, которые изучают материалы аккумуляторов в сухих условиях. Работа показывает, что можно изучить много аспектов в сухих условиях, однако влажные условия необходимы для изучения твердого электролитного слоя, который очень трудно обнаружить и который является покрытием на поверхности электрода, значительно влияющим на производительность аккумулятора.
Хотя электричество кажется невидимым, его хранение и использование в аккумуляторах имеет некоторые весьма реальные физические эффекты. Во время зарядки аккумулятора электроны сжимаются в отрицательно заряженном электроде, где позитивно заряженные ионы лития (или ионы другого металла, например, натрия) стремятся и фиксируются на электронах. Данные ионы должны подходить по размерам в маленькие «поры» внутри электрода.
Когда устройство работает от аккумулятора, электроны стремятся из электрода. Положительно заряженные ионы, оставшиеся позади, проходят по аккумулятору и возвращаются к положительно заряженному электроду, где они ждут новой зарядки.
Ученый из Департамента Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Чонгмин Ванг (Chongmin Wang) вместе с коллегами использовал микроскопы высокой мощности, чтобы посмотреть, как убывание и плавание позитивно заряженных ионов деформируют электроды. Сжатие в порах электрода заставляет электроды разбухать, и повторное использование может вывести их строя.
Но до этого момента, электронные микроскопы могли охватить только сухие элементы питания, которые исследователи называют открытыми ячейками. В реальной батарее электроды купаются в жидкостных электролитах, которые обеспечивают легкое перемещение для ионов.
И вот, Ванг вместе с коллегами создал влажный элемент батареи в просвечивающем электронном микроскопе. Команда сделала аккумуляторы настолько маленькими, что некоторые из них могли поместиться на копеечных монетах. В аккумуляторе содержались один электрод кремния и один электрод лития, оба были в электролитной «ванне».
Когда команда зарядила аккумулятор, они увидели, как электрод кремния вздулся, что было ожидаемо. Тем не менее, в сухих условиях электрод крепится одним концом к литиевому источнику, и вздутие начинается только с одного конца, когда ионы «проталкиваются внутрь», создавая передний фронт. В жидких условиях в ходе данного исследования, элементы лития могли внутрь кремния в любом месте вдоль длины электрода. Команда наблюдала, как электрод увеличивался по всей длине в одно и то же время.
«Мы изучали материалы аккумулятора в сухих условиях в течение 5 последних лет, – сказал Ван. – Мы рады, что обнаружили, что открытые поры дают точную информацию относительно того, как электроды ведут себя в химическом смысле».
Ван сказал, что ученые не смогли увидеть в начальном эксперименте неуловимый твердый межфазный электролитный слой. В будущих экспериментах, они будут пытаться уменьшить толщину мокрого слоя путём увеличения разрешения не менее чем в 2 раза, что может позволить наблюдать за данным слоем.