Электроды на основе металла в литий-ионных аккумуляторах обещают значительно более высокую емкость, чем обычные графитовые электроды. К сожалению, они деградируют из-за механического напряжения во время циклов зарядки и разрядки. Команда HZB теперь показала, что высокопористая оловянная пена намного лучше поглощает механическое напряжение во время циклов зарядки. Это делает оловянную пену интересным материалом для литиевых аккумуляторов.
Современные литий-ионные аккумуляторы обычно основаны на многослойном графитовом электроде , а противоэлектрод часто изготавливается из оксида кобальта. Во время зарядки и разрядки ионы лития мигрируют в графит, не вызывая значительных изменений объема материала. Однако емкость графита ограничена, что делает поиск альтернативных материалов захватывающей областью исследований.
Электроды на основе металлов, таких как алюминий или олово, обладают потенциалом для обеспечения более высокой емкости. Однако они имеют тенденцию к значительному расширению в объеме при поглощении лития, что связано со структурными изменениями и усталостью материала.
Олово особенно привлекательно, поскольку его емкость на килограмм почти в три раза выше, чем у графита, и это не редкое сырье, а доступное в изобилии. Один из вариантов реализации металлических электродов, которые «устают» менее быстро, включает наноструктурирование тонкой металлической фольги. Другой вариант — использовать пористые металлические пены.
Группа ученых из Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) изучила различные типы оловянных электродов во время процесса разряда и зарядки с помощью рентгеновской визуализации operando и разработала инновационный подход к решению этой проблемы. Часть экспериментов проводилась на BAMline в BESSY II. Высокоразрешающие рентгеноскопические изображения были получены в сотрудничестве с экспертами по визуализации доктором Николаем Карджиловым и доктором Андре Хильгером в HZB.
«Это позволило нам отслеживать структурные изменения в исследуемых электродах на основе металла Sn во время процессов зарядки/разрядки», — говорит доктор Бушра Буабади, первый автор исследования, опубликованного в Advanced Science . Совместно с экспертом по аккумуляторам доктором Себастьяном Риссом она исследовала, как морфология оловянных электродов изменяется во время работы из-за неоднородного поглощения ионов лития.
Доктор Франциско Гарсия-Морено создал лучшую версию оловянного электрода: оловянную пену с бесчисленными микрометровыми порами. «Мы смогли показать, что механическое напряжение в такой оловянной пене при объемном расширении значительно снижается», — говорит доктор Рисс. Это делает оловянную пену интересным материалом для литиевых батарей.
Гарсия-Морено уже изучил многочисленные металлические пены, включая те, которые используются для компонентов в автомобильной промышленности , и алюминиевые пены для электродов аккумуляторов. «Оловянные пены, которые мы разработали в Техническом университете Берлина, обладают высокой пористостью и являются многообещающей альтернативой традиционным электродным материалам», — говорит он.
Структурирование оловянной пены имеет решающее значение для максимального снижения механического напряжения. Технология оловянной пены также может быть привлекательной с экономической точки зрения: «Хотя оловянная пена дороже обычной оловянной фольги, она предлагает более дешевую альтернативу дорогостоящему наноструктурированию, при этом способная хранить значительно больше ионов лития, что позволяет увеличить емкость».
