Исследователи инновационных аккумуляторов взломали код для создания трехмерных изображений многообещающей, но темпераментной литий-металлической батареи в режиме реального времени по мере ее цикла. Команде из Технологического университета Чалмерса в Швеции удалось наблюдать, как ведет себя металлический литий в ячейке при зарядке и разрядке.

Новый метод может способствовать созданию аккумуляторов большей емкости и повышенной безопасности в наших будущих автомобилях и устройствах.

«Мы открыли новое окно, чтобы понять — и в долгосрочной перспективе оптимизировать — литий- металлические батареи будущего. Когда мы сможем точно изучить, что происходит с литием в ячейке во время циклирования, мы получим важные знания о что влияет на его внутреннюю работу», — говорит Александр Матич, профессор кафедры физики в Чалмерсе и руководитель научного исследования, недавно опубликованного в Nature Communications .

Есть большие надежды, что новые концепции батарей , такие как литий-металлические батареи, смогут заменить сегодняшние литий-ионные батареи. Цель состоит в том, чтобы разработать более энергоемкие и безопасные аккумуляторы, которые позволят нам двигаться вперед при меньших затратах — как в финансовом, так и в экологическом плане. Твердотельные батареи, литий-серные батареи и литий-кислородные батареи считаются перспективными альтернативами. Все эти концепции основаны на идее, что анод батареи состоит из металлического лития, а не из графита, который используется в современных батареях. Без графита аккумуляторная батарея будет легче, а с металлическим литием в качестве анода также можно будет использовать катодные материалы большой емкости. Это позволяет достичь в три-пять раз большей плотности энергии.

Литий образует нежелательные микроструктуры

Однако у литий-металлических аккумуляторов есть одна серьезная проблема: когда аккумулятор заряжается или разряжается, литий не всегда откладывается так ровно и гладко, как должен. Часто он образует мшистые микроструктуры или дендриты, длинные игольчатые структуры, а части осажденного лития могут изолироваться и затем становятся неактивными. Дендриты также рискуют достичь другого электрода батареи и вызвать короткое замыкание. Поэтому крайне важно понять, когда, как и почему формируются эти структуры.

«Чтобы иметь возможность использовать эту технологию в батареях следующего поколения, нам нужно увидеть, как на элемент влияют такие факторы, как плотность тока, выбор электролита и количество циклов. Теперь у нас есть инструмент для этого, «, — говорит исследователь Чалмерса Мэтью Садд, главный автор этого нового исследования, вместе со своим коллегой Шижао Сюн.

Возбужденное ожидание первого взгляда

Эксперимент по наблюдению за формированием литиевых микроструктур в рабочей ячейке был проведен в Swiss Light Source недалеко от Цюриха в Швейцарии. Затаив дыхание, исследователи подготовили специально разработанный аккумуляторный элемент для изучения осаждения лития в режиме реального времени и в 3D с помощью рентгеновской томографической микроскопии. Хотя многие исследователи хотели изучить металлический литий в рабочей ячейке, насколько известно команде, никто не смог этого сделать. Если бы им это удалось, это был бы большой шаг вперед по сравнению с анализом изображений после того, как клетка прошла цикл.

«Это было волшебно, когда мы своими глазами увидели, что это сработало с первой попытки», — сказал Матич. «Когда мы наблюдали, как литий создает большие структуры, похожие на огромные иглы, это было почти как участие в проекте посадки на Луну. Мы так долго хотели наблюдать за внутренней работой батарей в режиме реального времени. И теперь мы можем».

Ключевой элемент головоломки для крупномасштабного использования

Теперь исследовательская группа стремится протестировать эту технику на других концепциях аккумуляторов, надеясь, что необходимая технология визуализации будет доступна ближе к дому, например, в шведской лаборатории MAX IV, национальном исследовательском центре для передовых рентгеновских экспериментов.

«Мы с нетерпением ждем разработки этого метода, чтобы проводить более быстрые измерения с более высоким разрешением, чтобы увидеть более подробные микроструктуры, формирующиеся на ранних этапах процесса осаждения», — говорит Матич. «Это ключевой элемент головоломки, который позволит использовать литий-металлические батареи в больших масштабах и сделать их безопасными. Многие исследовательские группы и компании рассматривают концепцию литий-металлических элементов для своих будущих прототипов».