Исследователи Кембриджского университета разработали дешёвый лабораторный метод визуализации движения ионов лития и в режиме реального времени. С помощью этого метода авторы научной работы проследили за движением ионов во время зарядки и разрядки батареек.

Продвижение границы раздела фазы через активную частицу во время фазового перехода при делитации и литации. Цветовая шкала показывает время, за которое каждый пиксель проходил границу фазы. Сплошные чёрные линии отражают контур границы фазы, пунктиром указана её прогрессия. Шкала 2 мкм. Источник: Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03584-2

Литий-ионные аккумуляторы — самый распространённый сегодня тип батареек. Аккумуляторы такого типа обладают неоспоримыми преимуществами в виде высокой плотности энергии и продолжительным сроком службы относительно других средств хранения энергии. С другой стороны, литий-ионные аккумуляторы дороги в производстве, и их самый большой минус — безопасность. Батареи возгораются или даже взрываются при перенапряжении, перегреве и повреждениях Пока не удаётся найти способов предотвратить это без сокращения энергетической ёмкости.

Исследователи Кембриджского университета задались целью так улучшить литий-ионные аккумуляторы, чтобы время зарядки сократилось. Учёные начали с изучения поведения ионов лития внутри батарей во время зарядки и разрядки. Обычно для этого используют дорогую рентгеновскую или электронную микроскопию. Кембриджские специалисты разработали свой метод, основанный на оптической интерферометрической рассеивающей микроскопии (interferometric scattering microscopy, iSCAT).

В ходе экспериментов исследователи отслеживали движение отдельных частиц кобальта лития (LixCoО2 или LCO) в матрице электродов. iSCAT собирал рассеянный от частиц LCO свет и визуализировал фазовые переходы между твёрдым раствором и литием во время получения и отдачи заряда.

Электрохимические характеристики и интерферометрическая рассеивающая микроскопия LCO. (а) Структура полуячейки оптической микроскопии. (WE — рабочий электрод. СЕ — противоэлектрод.) В качестве противоэлектрода выбран литий. Сепаратор сделан из стекловолокна, пакет ячеек смочен карбонатным электролитом (LP30). (b) Вверху: Сделанное при помощи сканирующего электронного микроскопа изображение двух частиц LCO, диспергированных в проводящей матрице. Шкала 10 мкм. Внизу: распределение взвешенных по массе частиц LCO по диаметру (всего 681 частица). (с) Гальваностатический цикл электрода LCO во время оптических измерений. (d) Соответствующие графики дифференциальной ёмкости. Пики I и IV относятся к фазовым переходам, II и III к упорядочению лития. (e) Оптическая установка микроскопа и iSCAT. PBS — поляризационный светоделитель. QWP — четвертьволновая пластина. CMOS — дополнительная полупроводниковая камера из оксида металла. (f) Схема формирования сигнала iSCAT. Падающий свет (Ei) фокусируется на целевой активной частице на рабочем электроде. Собранный свет включает в себя: Es — свет, рассеянный от поверхности частицы; Er — свет, отражённый от верхней границы раздела стеклянной ячейки. (g) Визуализация одной активной частицы LCO в электроде (время экспозиции 250 мкс). Шкала 5 мкм. Значения интенсивности нормированы в диапазоне 1. Источник: Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03584-2

Кристаллическая решётка LCO и его частицы в электроде. Источник: Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03584-2

Используя iSCAT исследователи проследили, как LCO проходит серию фазовых переходов во время заряда и разряда.

Границы частиц LCO перемещаются по мере поступления и выхода ионов лития. Механизм движущейся частицы отличается и зависит от того, заряжается или разряжается батарея. На скорость зарядки батареи влияет то, насколько быстро ионы лития проходят через частицы активного материала. Скорость разрядки зависит от скорости распределения ионов лития по краям батареи. Авторы отмечают, что управление этими двумя механизмами позволят значительно увеличить скорость зарядки батареи.

Авторы заявляют, что их метод универсален и подходит для визуализации частиц в электродах у любого типа аккумуляторных материалов. Методика также обладает высокой пропускной способностью и позволяет отслеживать большое количество частиц по всему электроду.

Исследователи надеются, что при помощи iSCAT они значительно увеличат скорость появления новых технологий по хранению энергии. Они планируют применить методику к изучению материалов батарей следующего поколения, чтобы детально изучать механизмы изменения скорости зарядки и разрядки батарей. Кроме того, авторы хотят использовать iSCAT для разработки новых улучшенных материалов.

Авторы опубликовали препринт статьи на сайте arXiv в ноябре прошлого года. Итоговый вариант опубликован в статье «Operando optical tracking of single-particle ion dynamics in batteries» в журнале Nature DOI: 10.1038/s41586-021-03584-2.

Учёные визуализировали движение ионов лития в батарейках