Новости научно-исследовательских лабораторий

Aenert. Research Laboratory news
В настоящее время многие крупные игроки, а также стартапы активно участвуют в индустрии электромобилей и стремятся разработать более безопасные и эффективные аккумуляторы. Одним из типов аккумуляторов, которому в последнее время уделяется повышенное внимание, являются твердотельные аккумуляторы. Помимо литий-ионных батарей, в них используется твердый электролит, что позволяет отказаться от сепаратора, который удерживает положительный и отрицательный электрод отдельно.
Твердотельные батареи считаются более безопасной альтернативой литий-ионным батареям, поскольку им не требуется легковоспламеняющийся жидкий электролит, который требуется в традиционных литий-ионных батареях. Это значительно снижает риск возгорания. Более того, они легче традиционных аккумуляторов, имеют более короткое время зарядки и, как ожидается, позволят электромобилям преодолевать большие расстояния. Однако, хотя твердотельные батареи оказались многообещающим кандидатом с точки зрения производительности, срок их службы может быть короче, чем у обычных батарей, поскольку со временем они могут образовывать трещины и нуждаться в замене.

Чтобы решить эту проблему, ученые Аргоннской национальной лаборатории сейчас ( 2023 г. ) начали исследование, посвященное группе электролитов, называемых аргиродитами, классу твердотельных электролитов, содержащих серу. Аргиродиты имеют ряд преимуществ перед другими твердотельными электролитами. Они наделены более высокой ионной проводимостью и могут быстро переносить ионы через батарею. Это, в свою очередь, может обеспечить более высокую скорость зарядки электромобилей. Аргиродиты также проще и дешевле перерабатывать в гранулы, используемые в батареях.

Однако аргиродиты сложно производить. Они сильно реагируют с воздухом, поэтому обращение с ними на заводе по производству аккумуляторов может быть затруднено. Кроме того, они легко реагируют с другими материалами электродов, такими как литий. Когда эти реакции происходят, они производят химические вещества, которые снижают качество границ раздела электролит/электрод. Реакции также могут препятствовать движению ионов лития, снижать производительность батареи и вызывать образование дендритов, игольчатых литиевых структур, которые снижают безопасность и срок службы батареи.

Поэтому исследователи хотели разработать новый метод, который позволил бы точно определить химический состав поверхности аргиродита. Они выбрали процесс атомного осаждения слоев, обычно используемый в производстве чипов, и адаптировали его для своих целей. В этом методе нанесения покрытия используются химические пары, которые вступают в реакцию с поверхностью твердого материала, образуя тонкую пленку.

Посредством атомно-слоевого осаждения аргиродитовый электролит наносили в виде порошка. Порошок был нагрет и подвергнут воздействию водяного пара и триметилалюминия, в результате чего на всех отдельных частицах электролита образовалось тонкое покрытие из оксида алюминия (оксида алюминия). Кроме того, был использован метод определения характеристик, называемый рентгеновской абсорбционной спектроскопией, чтобы убедиться, что покрытие не нарушает химическую структуру лежащего в основе аргиродита. Это включало съемку материала синхротронными рентгеновскими лучами и измерение пропускания и поглощения рентгеновских лучей в материале.

Более того, исследователи использовали два метода, чтобы определить, что покрытия хорошо адаптируются к контурам отдельных частиц электролита. Первый метод, названный сканирующей просвечивающей электронной микроскопией, создавал изображения структуры материала с помощью сфокусированного электронного луча.

Второй метод, известный как энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия, оценивал элементы в материале путем обнаружения рентгеновских лучей, испускаемых электронами, используемыми в методе сканирующей просвечивающей электронной микроскопии. Исследователи также обнаружили, что покрытия резко снижают реакционную способность порошка с воздухом.

На следующем этапе исследователи спрессовали порошки с покрытием в гранулы и поместили их в аккумуляторную ячейку лабораторного масштаба с анодом (отрицательным электродом) из металлического лития. Они неоднократно заряжали и разряжали эту батарею, а также другую батарею, изготовленную с непокрытым электролитом, сравнивая их производительность.

На протяжении многих лет ученые пытались повысить эффективность твердотельных аккумуляторов, чтобы сделать их конкурентоспособными на мировых рынках. В 2023 году ученые попытались найти способ улучшить пути транспорта ионов лития с помощью твердого электролита. Они использовали значительно более высокий коэффициент ослабления нейтронов одного из наиболее распространенных стабильных изотопов лития, ⁶Li, в своих целях и выполнили нейтронную визуализацию на специально созданной полностью твердотельной литий-серной батарее. За счет использования более высокого содержания ⁶Li в аноде и использования природного лития в сепараторе твердого электролита и катоде контраст был усилен, что помогло различить во время первоначального разряда, какие из мобильных ионов лития диффундируют через элемент от анода, а какие первоначально содержались в твердом электролите. Поскольку нейтроны чувствительны к различным изотопам лития, нейтронная радиография операндо выявила диффузию ионов лития через ячейку, а нейтронная томография in situ смогла представить распределение захваченных ионов лития внутри ячейки в заряженном и разряженном состояниях.

Image: a) Representation of the cell setup for neutron imaging, with cell composition displayed in the expanded regions. b) Radiography images showing neutron attenuation for a cell where the Li–In anode is enriched with ⁶Li (top) and one where all Li is the naturally occurring isotopic mix (bottom). The images are displayed within the same contrast range and show a cell in the pristine state. c) Plots displaying the cross‐section of the median neutron attenuation (Σmedian) across the images displayed in (b)

Source: Robert Bradbury, Nikolay Kardjilov, Georg F. Dewald, Alessandro Tengattini/ Visualizing Lithium Ion Transport in Solid‐State Li–S Batteries Using Li Contrast Enhanced Neutron Imaging/ Advanced Functional Materials 33(38), June 2023/ DOI:10.1002/adfm.202302619/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Также в 2023 году ученые использовали крупномасштабное молекулярно-динамическое моделирование для изучения и выявления атомистических путей и энергетических барьеров кристаллизации лития на границах раздела твердых тел. Было обнаружено, что кристаллизация лития протекает по многоступенчатому пути, опосредованному межфазными атомами лития с неупорядоченной и случайно-плотноупакованной конфигурацией в качестве промежуточных этапов, что вызывает энергетический барьер кристаллизации. Это позволило распространить применимость правила шага Оствальда, то есть образования полиморфных структур, на состояния межфазных атомов и позволило разработать рациональную стратегию кристаллизации с более низким барьером, продвигая благоприятные состояния межфазных атомов в качестве промежуточных этапов посредством межфазной инженерии.

Image: A schematic of multiple-step pathways of Li crystallization The Li⁺ (orange, anion shown in red) in solid electrolytes (SE) goes through disordered-Li (cyan) and/or rHCP (random hexagonal close-packed)-Li (green) in the interfacial Li layer at the SE interface, and transforms into the crystalline BCC (body-centered cubic)-Li metal (blue)

Source: Menghao Yang, Yunsheng Liu, Yifei Mo/ Lithium crystallization at solid interfaces/ Nature Communications 14(1), May 2023/ DOI:10.1038/s41467-023-38757-2/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Покрытие электролита твердотельных батарей имеет несколько преимуществ: команда обнаружила, что оно значительно снижает реакционную способность электролита с литиевым анодом. Это также снизило скорость утечки электронов из электролита. Это важно, поскольку считается, что утечка электронов приводит к реакциям, которые могут образовывать дендриты. В совокупности преимущества покрытия могут значительно увеличить количество раз, когда твердотельный аккумулятор сможет заряжаться и разряжаться, прежде чем его производительность начнет ухудшаться. Ученые полагают, что покрытие позволяет электролиту лучше контактировать с анодом. Они также заметили неожиданное преимущество покрытия: оно может удвоить ионную проводимость электролита.

Успешное завершение исследования является большим вкладом в продвижение технологии твердотельных аккумуляторов. Технику нанесения покрытия можно использовать с различными электролитами и покрытиями, что может привести к созданию широкого спектра различных типов твердотельных батарей.

Редакционный совет