На протяжении десятилетий исследователи предполагали, что неизбежное образование пленки на электродах внутри аккумуляторных батарей является причиной снижения производительности. Теперь мы знаем, что этот взгляд является обратным.
Накопление мшистых или древовидных отложений металлического лития на электродах батареи является не основной причиной снижения производительности, а скорее побочным эффектом. В журнале Nature Energy сообщается о первом прямом измерении электрических свойств на границе между твердым электродом и жидким электролитом внутри перезаряжаемой батареи.
Исследование, проведенное исследовательской группой из Тихоокеанской северо-Западной национальной лаборатории Министерства энергетики, показывает, что так называемая твердофазная электролитическая фаза (SEI) не является электронным изолятором, как считалось ранее, а вместо этого ведет себя как полупроводник. Исследование раскрывает давнюю тайну того, как SEI функционирует электрически во время работы от батареи.
Полученные результаты имеют прямое значение для разработки аккумуляторов с более длительным сроком службы путем настройки физических и электрохимических свойств жидкого электролита, который часто называют кровоснабжением работающей батареи.
“Более высокий уровень электропроводности приводит к более толстому SEI со сложными формами твердого лития, что в конечном итоге приводит к снижению производительности батареи”, – сказал Чонгмин Ван, сотрудник лаборатории PNNL и эксперт по технологии аккумуляторов, который совместно руководил исследованием.
Батарея микроразмеров опровергает предположения о том, как работают перезаряжаемые батареи
Исследователи сосредоточили внимание на этом слое SEI, который тоньше листа папиросной бумаги, из-за его огромной роли в работе аккумулятора. Эта пленчатая мозаика избирательно пропускает заряженные ионы лития во время разряда и контролирует движение электронов, которые обеспечивают питание батареи.
Когда батареи новые, SEI образуется при первом цикле зарядки и в идеале остается стабильным в течение ожидаемого срока службы батареи. Но при взгляде внутрь стареющей аккумуляторной батареи часто обнаруживается значительное накопление твердого лития на отрицательных электродах. Исследователи аккумуляторов предположили, что это накопление приводит к снижению производительности. Одной из причин такой работы с предположениями была невозможность провести измерения для проверки причинно-следственных связей.
Просвечивающая электронная микроскопия In situ позволяет исследователям непосредственно наблюдать за тем, как материалы в батарее эволюционируют на атомном и наноуровне, что дает представление о функционировании перезаряжаемой батареи. Автор: Андреа Старр | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория
Ван вместе с соруководителем исследования Ву Сюем, специалистом по материаловедению из группы аккумуляторных материалов и систем PNNL, соавторами Яобин Сюй и Хао Цзя, а также их коллегами из PNNL, Техасского университета A & M и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли решили эту проблему, разработав новую методику. для непосредственного измерения электропроводности через SEI в экспериментальной системе.
Команда объединила просвечивающую электронную микроскопию с наноразмерными манипуляциями с металлическими иглами из микрофабриката внутри микроскопа. Затем исследователи измерили электрические свойства слоя SEI, сформированного либо на металлической меди, либо на литии, с использованием четырех различных типов электролитов.
Измерения группы показали, что при увеличении напряжения в батарее слой SEI во всех случаях пропускает электроны, делая его полупроводящим.
Полученные данные свидетельствуют о том, что углеродсодержащие молекулы пропускают электроны, сокращая срок службы батареи
Как только они зафиксировали это поведение, подобное поведению полупроводника, которое ранее никогда непосредственно не наблюдалось, они захотели понять, какие компоненты химически сложного SEI ответственны за утечку электронов.
“Мы обнаружили, что углеродсодержащие органические компоненты слоя SEI подвержены утечке электронов”, – сказал Сюй.
Исследователи пришли к выводу, что сведение к минимуму содержания органических компонентов в SEI позволит продлить срок службы батарей.
“Даже незначительные колебания скорости прохождения тока через SEI могут привести к существенным различиям в эффективности и стабильности работы аккумулятора”, – добавил Ван.
Исследователи PNNL Пэйюань Гао, Ся Цао, Фунг М. Л. Ле, Марк Х. Энгельхард, Шуан Ли и Цзи-Гуан Чжан также внесли свой вклад в исследование.