Эффективность батарей объяснит исследование межфазного слоя электролита

В поиске долговечных, недорогих перезаряжающихся батарей ученые разрабатывают более реалистичные методы для исследования материалов в действии.

Исследователи разработали метод для микроскопического анализа электродов батарей во время их погружения в жидкие электролиты, подражая реалистичным условиям внутри настоящих батарей. И если обычно ученые использовали для исследований влажных сред трансмиссионно-электронную микроскопию, то на этот раз они успешно применили метод для исследования перезаряжаемой батареи.

Результаты, опубликованные в издании Nano Letters — хорошие новости для ученых, исследующих материалы батарей в сухих условиях. Работа показывает, что многие аспекты можно исследовать в сухой среде, что значительно упрощает процесс. И все же влажные условия необходимы для изучения редкого межфазного слоя твердого электролита — покрытия, которое накапливается на поверхности электрода и существенно влияет на работу батареи.

«Жидкая ячейка дала нам глобальную информацию о том, как электролиты ведут себя в батарее», сообщил материаловед Чонг Мин Вонг из Тихоокеанской Северозападной национальной лаборатории при Министерстве энергетики США. „Это поможет нам отыскать твердый слой электролита, который сложно визуализировать с достаточной детализацией“.

Хотя электричество кажется невидимым, хранение и использование его в батареях демонстрирует некоторые физические эффекты. Зарядка батареи зажимает электроны в аноде, куда врываются положительно заряженные ионы лития (или другого металла), чтобы встретить и удержаться на электронах. Ионы эти должны соответствовать размеру пор на электроде.

Питание устройства батарее стимулирует электроны вытекать с электрода. Положительные ионы, остающиеся позади, выбрасываются в тело батареи и возвращаются к положительному электроду, катоду, где ожидают следующей зарядки.

Вонг с коллегами использовали высокомощные микроскопы для анализа того, как отток и приток положительно заряженных ионов деформирует электроды. Протискивание ионов в поры электродов делает их выпуклыми, и повторное использование изнашивает их. Например, данная работа показала, что ионы натрия оставляют после себя пузыри, которые способны нарушить функцию батареи.

Однако до сих пор трансмиссионно-электронные микроскопы позволяли лишь исследовать лишь сухие батарейные ячейки, которые исследователи именуют как открытые ячейки. В настоящей батарее электроды купаются в жидких электролитах, которые обеспечивают ионам возможность легко перемещаться в окружающей среде.

Совместно с коллегами Вонг разработал влажную батарейную ячейку. Ученые создали настолько маленькую батарею, что сразу несколько легко уместились бы на десятицентовике. У батарейки один электрод — литиевый, а другой — кремниевый, и оба они помещаются в ванне с электролитом.

Мистический слой

Когда ученые зарядили батарею, они увидели, что кремниевый электрод разбух, как и ожидалось. При этом в сухих условиях электрод раздувался лишь в одном месте, а именно там, где он соприкасался с литиевым электродом. В жидкой среде он стал раздуваться однородно.

«Именно так происходит в батарее», отметил Вонг. „В прошлые пять лет мы исследовали батареи с сухой и открытой ячейкой, и, пожалуй, продолжим использовать их, поскольку они дают точную информацию о химическом поведении электродов“.

К сожалению, ученым не удалось пока увидеть, насколько далеко заходит неуловимый межфазный слой электролита. В будущих экспериментах ученые попробуют сократить толщину влажного слоя как минимум вдвое для повышения разрешения, способного обеспечить достаточную детализацию для наблюдения твердого межфазного слоя электролита.

«Этот слой должен обладать специфическими свойствами и влиять на эффективность зарядки и разрядки батареи», сказал Вонг. „Как бы то ни было, ученые пока не выяснили, как он формируется, какова его структура или химические особенности. Неизвестно также, как он меняется с повторной зарядкой-разрядкой. Это весьма загадочный материал. Мы ожидаем, что жидкая ячейка позволит нам раскрыть тайну неуловимого слоя“.