С момента первого использования новый литий-ионный аккумулятор деградирует. После нескольких сотен циклов зарядки вы заметите, что батарея вашего телефона, ноутбука или электромобиля изнашивается быстрее. В итоге вообще перестал держать заряд.

Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета теперь использовали комбинацию мощной электронной микроскопии и вычислительного моделирования, чтобы понять на атомном уровне, что именно происходит, когда литий-ионные батареи разлагаются. Их исследования указывают на один из подходов к разработке литий-ионных аккумуляторов с более длительным сроком службы — путем сосредоточения внимания на часто игнорируемом структурном компоненте, домене углеродного связующего (CBD).

«Чтобы решить многие мировые проблемы хранения и преобразования энергии в ближайшие десятилетия, нам необходимо продолжать внедрять инновации и улучшать аккумуляторы», — сказала профессор Ю. Ширли Мэн, руководившая исследованием, опубликованным в журнале Joule . «Эта работа — еще один шаг к более эффективной и устойчивой аккумуляторной технологии».

Ограниченные циклы зарядки

Повсеместная коммерциализация литий-ионных аккумуляторов в конце двадцатого века сыграла роль в появлении легкой перезаряжаемой электроники. Литий является самым легким металлом и имеет высокое отношение плотности энергии к массе. Когда литий-ионный аккумулятор заряжается, ионы лития перемещаются от положительно заряженного катода к отрицательно заряженному аноду. Чтобы высвободить энергию, эти ионы возвращаются от анода к катоду.

Во время циклов зарядки активные материалы катода и анода расширяются и сжимаются, накапливая «трещины частиц» и другие физические повреждения. Со временем это приводит к тому, что литий-ионные батареи работают хуже.

Исследователи ранее характеризовали растрескивание и деградацию частиц, которые происходят в маленьких тонких электродах для литий-ионных аккумуляторов. Однако в настоящее время разрабатываются более толстые и энергоемкие электроды для аккумуляторов большего размера, например, для электромобилей, грузовиков и самолетов.

«Кинетика толстого электрода сильно отличается от кинетики тонкого электрода», — сказал ученый Минхао Чжан из Калифорнийского университета в Сан-Диего, соавтор новой статьи. «Деградация на самом деле намного хуже в более толстых электродах с более высокой энергией, что было борьбой за эту область».

Чжан отметил, что количественное исследование толстых электродов также сложнее. Инструменты, которые ранее использовались для изучения тонких электродов, не могут улавливать структуры более крупных и плотных материалов.

Сочетание микроскопии и моделирования

В новой работе Мэн, Чжан и их сотрудники из Thermo Fisher Scientific обратились к сканирующей электронной микроскопии с фокусированным ионным пучком плазмы (PFIB-SEM), чтобы визуализировать изменения, происходящие внутри толстого катода литий-ионной батареи. PFIB-SEM использует сфокусированные лучи, заряженные ионы и электроны, для создания изображения трехмерной структуры материала со сверхвысоким разрешением.

Исследователи использовали метод визуализации для сбора данных о совершенно новом катоде, а также о катоде, который заряжался и разряжался 15 раз. Используя данные экспериментов с электронной микроскопией, команда построила вычислительные модели, иллюстрирующие процесс деградации аккумуляторов.

«Эта комбинация экспериментальных данных с наноразмерным разрешением и моделирования позволила нам определить, как разлагается катод», — сказал постдокторский научный сотрудник PME Мехди Чочан, соавтор статьи. «Без моделирования было бы очень сложно доказать, что происходит».

Исследователи обнаружили, что различия между областями батареи способствовали многим структурным изменениям. Электролитная коррозия чаще происходила с тонким слоем на поверхности катода. Таким образом, в этом верхнем слое образовался более толстый резистивный слой, из-за чего нижний слой расширялся и сжимался больше, чем другие части катода, что приводило к более быстрой деградации.

Модель также указывает на важность CBD — пористая сетка из фторполимера и атомов углерода, которая удерживает вместе активные материалы электрода, вносит свой вклад и помогает проводить электричество через батарею. Предыдущие исследования не характеризовали, как КБД деградирует во время использования батареи, но новая работа предположила, что ослабление контактов между КБД и активными материалами катода напрямую связано со снижением производительности литий-ионных батарей с течением времени.

«Это изменение было даже более очевидным, чем растрескивание активного материала, на котором многие исследователи сосредоточились в прошлом», — сказал Чжан.

Батареи будущего

С помощью своей модели катода группа Мэн изучила, как изменения в конструкции электрода могут повлиять на его деградацию. Они показали, что изменение структуры сети CBD может помочь предотвратить ухудшение контактов между CBD и активными материалами, что продлит срок службы батарей — гипотеза, которую инженеры теперь могут подтвердить физическими экспериментами.

Теперь группа использует тот же подход для изучения еще более толстых катодов, а также проводит дополнительное моделирование того, как замедлить деградацию электродов.

Доктор Чжао Лю, старший менеджер по развитию рынка аккумуляторов в Thermo Fisher Scientific, принимавший участие в исследовании, сказал: «Это исследование разрабатывает методологию разработки электродов для повышения производительности аккумуляторов в будущем».