Если бы вы могли сжаться настолько, чтобы совершить фантастическое путешествие по электроду литиевой батареи, вы бы увидели, что уровень заряда на каждом масштабе очень неравномерен.

Это не хорошо для здоровья батареи. Исследователи из Университета Райса, которые признают проблему, работали с Министерством энергетики, чтобы детально изучить, как различные частицы в электроде взаимодействуют с литием во время использования.

В частности, лаборатория Райса материаловеда Мина Танга проанализировала нано- и микромасштабные взаимодействия внутри катодов из литий-железо-фосфата с помощью моделирования и визуализации, предлагаемых возможностями просвечивающей рентгеновской микроскопии в Брукхейвенской национальной лаборатории и Аргоннской национальной лаборатории.

Их статья в журнале Американского химического общества ACS Energy Letters поддерживает теории Танга и его коллег, сформированные несколько лет назад, которые предвидели, как литий перемещается в динамической среде внутри типичного коммерческого катода.

Возможность наблюдать зарядку и разрядку герметичных катодов в Брукхейвене стала абсолютным доказательством.

«В батареях много агрегатов частиц, которые впитывают и отдают литий, и мы хотели знать, что происходит на их поверхности, насколько однородна реакция», — сказал Танг, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии. «В целом нам всегда нужна более равномерная реакция, чтобы мы могли заряжать аккумулятор быстрее».

На изображениях, сделанных на мощном рентгеновском синхротроне в Брукхейвене, исследователи увидели, что некоторые области внутри катода лучше поглощают свет, чем другие. Возможность смотреть на отдельные или агрегированные частицы в 3D показала, что вместо того, чтобы реагировать на всей их поверхности, литий отдавал предпочтение определенным областям по сравнению с другими.

«Это сильно отличается от общепринятого мнения», — сказал Тан. «Самое интересное наблюдение заключается в том, что эти реакционные области имеют форму одномерных нитей, лежащих на поверхности этих агрегированных частиц. Это было немного странно, но это соответствовало тому, что мы видели в наших моделях».

Тан сказал, что литиевые нити выглядели как толстые нанотрубки и имели ширину в несколько сотен нанометров и длину в несколько микрон.

Он сказал, что напряжение между смещенными кристаллитами в агломератах частиц препятствует равномерному внедрению или извлечению лития из поверхности агрегата, потому что это приведет к слишком большим затратам энергии. Вместо этого литий вынужден втекать в агрегаты или выходить из них в «горячих точках», которые принимают форму нити.

Что это означает для производительности батареи?

«Это плохо», — сказал Тан. «Поскольку литий не может равномерно попасть в катод, он замедляет механику интеркаляции.

«Наше исследование предлагает несколько потенциальных способов помочь сделать введение или извлечение лития более равномерным в этих агрегатах или отдельных частицах», — сказал он. «Введение некоторой пористости в агломераты частиц может пожертвовать некоторой плотностью энергии, но в то же время позволит литию проникать более равномерно. Это может позволить вам получить больше энергии при заданной скорости заряда/разряда.

«Еще одна мысль заключается в том, что если мы сможем каким-то образом выровнять ориентацию этих маленьких частиц, чтобы их максимальное расширение было перпендикулярно друг другу, они лучше приспособились к интеркаляции лития», — сказал он.

Он признал, что это будет проблемой для производителей аккумуляторов.

«У нас недостаточно опыта в синтезе, чтобы понять, как это сделать», — сказал Тан. «Мы даем приманку. Посмотрим, не клюнет ли кто».