Иллюстративное изображение твердотельных или перезаряжаемых аккумуляторов. Getty Images

Метод нейтронного картирования был использован для отслеживания движения ионов лития в режиме реального времени внутри функционирующей полностью твердотельной батареи.

Исследователи из Института Лауэ-Ланжевена (ILL) во Франции обнаружили неожиданные структурные сложности, которые могут помочь в разработке более безопасных и эффективных твердотельных аккумуляторов.

Для изучения внутренней структуры батареи была использована нейтронная порошковая дифракция. Интересно, что эксперимент выявил хаотическую структуру внутри электрода, показав, что литий не проходит через батарею так гладко, как считалось ранее.

Заглядываем внутрь твердотельной батареи

В аккумуляторных батареях используются жидкие электролиты, которые представляют опасность и ограничивают производительность. Цель создания полностью твердотельных аккумуляторов — заменить жидкость на твердый материал для более безопасной эксплуатации, более высокой плотности энергии и лучшей производительности при экстремальных температурах.

Однако сделать эти аккумуляторы надежными сложно, поскольку ионы лития часто движутся неравномерно в твердых структурах, из-за чего разные участки заряжаются с разной скоростью. Чтобы разгадать эту загадку, исследователи впервые использовали нейтронную дифракцию, чтобы заглянуть внутрь толстой работающей твердотельной батареи. Это помогло отследить движение лития в режиме реального времени, чтобы понять и оптимизировать работу аккумуляторов.

Обычные лабораторные рентгеновские лучи рассеиваются на тяжелых электронах и не достигают легких элементов, таких как литий. Но нейтроны взаимодействуют непосредственно с атомными ядрами. Это делает их идеальным инструментом для обнаружения лития. Кроме того, нейтроны обладают уникальной суперспособностью — проникать глубоко в материал. Нейтроны позволяют неразрушающим способом исследовать всю толщу активной массы батарейки, а не только ее поверхность.

Таким образом, нейтронная порошковая дифракция в режиме реального времени является бесценным инструментом для отслеживания структурных изменений в процессе зарядки и разрядки аккумулятора.

Тепло спешит на помощь

Чтобы получить чистый сигнал, команде ILL пришлось создать батарейный элемент толщиной около 2,5 миллиметра, для чего потребовалось 140 миллиграммов активного катодного материала. Чем толще компоненты, тем выше внутреннее сопротивление, которое препятствует прохождению электрического тока.

Эту проблему помог решить недавно синтезированный твердый электролит с высокой проводимостью (смешанно-галогенный аргиродит). Его ионная проводимость в шесть раз выше, чем у обычных материалов. Несмотря на необычную толщину, электролит батареи позволил успешно извлечь более половины лития.

То, что они увидели, изменило наше представление о механике твердого тела.

Даже при зарядке со скоростью улитки литий не распределялся равномерно. Электрод разделился на две конкурирующие структурные фазы, получившие названия H1 и H2. Разные участки батареи фактически жили в разных временных зонах и заряжались с совершенно разной скоростью из-за проблем с электрическим током.

Но затем температура была повышена. Когда команда повторила эксперимент при температуре 100 °C, хаотичное двухфазное поведение полностью исчезло. Тепло повысило ионную проводимость материала, сгладив ток и заставив литий двигаться в идеальном, равномерном ритме. При этом структура твердого электролита осталась неизменной и не показала признаков разрушения.

Твердый электролит оставался структурно стабильным на протяжении всего испытания, что является обнадеживающим признаком долгосрочной жизнеспособности полностью твердотельных батарей на основе сульфидов.

Это открытие дает разработчикам аккумуляторов возможность точно настроить производительность. Оно наметило путь для будущего электромобилей: внутренние «пробки» в электродах можно устранить с помощью целенаправленного управления температурным режимом и оптимизации проводимости.

Исследование было опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.