Одной из самых больших проблем на пути создания более мощных литий-ионных батарей являются тонкие пленки, которые образуются на электродах во время работы. Эти пленки с одной стороны защищают электроды и аккумуляторную жидкость от разрушения, но с другой стороны уменьшают мощность батарей по мере своего роста.
Команда под руководством химика профессора доктора Гюнтера Виттштока и Эдуардо душ Сантуш Сардинья из университета Ольденбурга впервые наблюдала, как кремниевые электроды постепенно покрываются такой пленкой уже в течение первого цикла зарядки. Исследователи выяснили, что в отличие от ранее высказанного мнения, защитный слой не появляется на всей поверхности в одно и то же время, а заполняет её пятнами. На чрезвычайно гладкой поверхности пластинки из кристаллического кремния вначале образуются островки, из которых пленка продолжает свой рост и распространяется по всей поверхности. В журнале ACS Applied Energy Materials ученые сообщают, что теперь появилась возможность провести специальное исследование по возможности управления возникновением защитного слоя.
Перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторные батареи широко используются для обеспечения питания для слуховых аппаратов, мобильных телефонов, электровелосипедов и электромобилей, а также служат хранилищами для ветряной и солнечной электроэнергии. Химики уже давно ищут способы повысить мощность аккумуляторов. Они экспериментируют с различными материалами для электродов, в том числе и с кремнием. «Кремний может аккумулировать больше лития, чем графит, который используется в большинстве батарей в качестве отрицательного электрода», — говорит Виттшток. Тем самым увеличивается емкость накопления энергии батареи. Однако у кремния есть один существенный недостаток: во время процесса зарядки электроды набухают более чем в два с половиной раза от своего первоначального объема, что создает напряжения в материале, и электроды быстро разрушаются. Поэтому для аккумуляторов проводятся тесты кремниевых электродов с покрытием из наночастиц, чтобы лучше противостоять росту объема. Кроме того, рост объема представляет собою проблему для тонких защитных слоев на электродах. Пленки образуются в результате химических реакций, происходящих в электрохимических ячейках аккумуляторных батарей во время зарядки и разрядки: в случае сильных электрических напряжений электропроводящая электролитическая жидкость разлагается между двумя электродами, которые состоят из литийсодержащих солей и органического растворителя. Продукты разложения на отрицательном электроде образуют твердый, тонкий, сложный слой, который действует как вышибала: он отделяет жидкость электролита от реактивного материала электрода, но в то же время позволяет ионам лития свободно проходить через него.
Такая пленка имеет решающее значение для срока службы и мощности аккумулятора. Но до сих пор мало что известно о формировании таких пленок, так как трудно непосредственно наблюдать за их ростом. В случае кремниевых электродов большое изменение объема приводит к разрушению пленок уже во время первого цикла зарядки и, следовательно, к образованию снова и снова при потреблении электролитической жидкости. Виттшток, дос Сантос Сардинья и двое их коллег из Университета Граца смогли пронаблюдать образование пленки в самом первом цикле зарядки. «Если проанализировать состояние электрода после нескольких циклов зарядки, то к тому моменту первоначальная пленка уже претерпела сильные изменения, потому что электрод также уже несколько раз расширялся и сжимался», — объясняет Виттшток.
Команда ученых сумела замедлить процесс зарядки с помощью специальной программы. Они использовали электрод из чистого кристаллического кремния и изучили образование пленки с помощью сканирующей электрохимической микроскопии (SECM). Этот метод использует микроэлектрод для изучения кремниевой поверхности по частям. Измеренные значения переводятся в цветовую шкалу и складываются, чтобы сформировать изображение. Эти снимки рассказали исследователям, где есть пленка, а где её нет. «В принципе, мы смогли сделать снимки поверхности во время формирования пленки», — говорит Виттшток.
Результаты исследования более подробно описаны ЗДЕСЬ.
Источник: https://www.solarserver.de/solar-magazin/nachrichten/aktuelles/2019/kw08/wichtige-basis-zur-optimierung-von-batterien-entdeckt.html