Инновационная визуализация усовершенствует плоские круглые батарейки

В порыве, способном усовершенствовать хранение энергии везде, от портативной электроники до электрических микросетей, исследователи из Висконсинского университета в Мэдисоне и Брукхэйвенской национальной лаборатории разработали новую технологию рентгенной визуализации для изучения электрохимических реакций в литий-ионных перезаряжаемых батареях, содержащих новый тип материала под названием фторид железа.

«Фторид железа обладает потенциалом утроения количества энергии, которую способна аккумулировать обычная литий-ионная батарея», сообщил профессор химии Сон Чжин. „Однако нам еще только предстоит выявить ее истинный потенциал“.

Аспирант Лин Сен Ли с профессором Чжином и другими сотрудниками провели эксперименты с использованием современной трансмиссионной рентгеновской микроскопии на национальном ускорителе для получения синхротронного излучения (National Synchrotron Light Source) в Брукхэйвене. Ученые собрали химические карты современных плоских круглых батареек, наполненных фторидом железа, во время использования, чтобы определить их эффективность.

Результаты опубликованы в издании Nature Communications.

«Ранее мы не могли понять, что происходит с фторидом железа (FeF3) во время работы батарейки, поскольку получению точной картины мешали другие компоненты», сообщил Ли.

Учитывая фоновые сигналы, которые могли бы исказить картину, Ли удалось точно визуализировать и измерить в наномасштабе химические изменения, которым фторид железа подвергается для хранения и выпуска энергии.

Использование фторида железа в перезаряжаемых литий-ионных батареях поставило перед учеными две проблемы. Первая заключается в том, что в текущей форме батареи плохо перезаряжаются.

«Это как если бы ваш смартфон во время второй зарядки зарядился бы только наполовину, а в дальнейшем — еще меньше», заявил Ли. „Потребители же хотят видеть батарею, которая заряжается сотни раз в том же объеме, что и в самый первый раз“.

Исследуя преобразование фторида железа в наномасштабе, Чжин и Ли с помощью нового метода визуализации точно определили каждую отдельную реакцию, чтобы понять, почему происходит сокращение емкости.

«В ходе анализа данных мы сумели отследить электрохимические реакции с гораздо большей точностью, чем позволяли прежние методы, и установили, что фторид железа работает лучше, если имеет пористую микроструктуру», сообщил Ли.

Вторая проблема заключается в том, что фторид энергии не высвобождает столько же энергии, сколько забирает, что снижает энергоэффективность. Текущее исследовании позволило глубже понять суть проблемы, и в будущих экспериментах Чжин и Ли намерены посвятить ей больше времени.

Хотя значение исследования очевидно — более длительное использование портативной электроники до перезарядки — Чжин предполагает более широкий диапазон применения.

«Если нам удастся увеличить эффективность перезарядки дешевого фторида железа в перезаряжаемых батарейках, то мы сможем разрабатывать более масштабные технологии хранения возобновимой энергии для электрических автомобилей и микросетей», сказал ученый.

Чжин также верит, что инновационная технология рентгеновской визуализации облегчит исследование других технологически важных твердотельных преобразований и поможет усовершенствовать процессы, такие как производство неорганической керамики и тонкопленочных солнечных батарей.