Что происходит в батарее на микроскопическом уровне во время зарядки и разрядки? Команда ученых во главе с Гюнтером Виттштоком из Института химии в университете Ольденбурга недавно представила новый метод наблюдения этих ранее недоступных процессов с помощью электрохимической сканирующей микроскопии в журнале ChemElectroChem.
По словам исследователя, новый метод может помочь быстрее найти подходящие материалы для новых типов батарей. Цель состоит в том, чтобы разработать более экологичные устройства накопления энергии с более длительным сроком службы и более высокой удельной мощностью. В группу также входят ученые из исследовательского центра батарей MEET Университета Мюнстера.
Аккумуляторные батареи преобразуют химическую энергию в электрическую. Заряженные частицы движутся от положительно заряженного электрода, катода, к отрицательному аноду. Во многих современных батареях и перезаряжаемых аккумуляторах реактивный металлический литий является важным компонентом анода. Во время работы на его поверхности образуются тонкие пленки, которые защищают электрод и жидкость аккумулятора от разложения. Однако до сих пор едва ли можно было непосредственно наблюдать изменения в сложных слоях, толщина которых составляет всего несколько микрометров, во время зарядки и разрядки.
В настоящее время команда разработала новый принцип измерения для получения локальной информации с высоким разрешением о поверхности металлических литиевых электродов во время работы батареи. «Со временем химические процессы на поверхности электрода могут оказать существенное влияние на срок службы и производительность батареи», — говорит Виттшток. В качестве метода анализа исследователи использовали так называемую электрохимическую сканирующую микроскопию. Измерительный щуп постепенно перемещается по поверхности образца для сбора химической информации на расстоянии нескольких микрометров. Программное обеспечение переводит данные измерений в цветное изображение. «Повторяя этот процесс несколько раз, мы можем отслеживать изменения на поверхности образца, как в «карманном кино»», — сообщает Виттшток.
Этот метод позволил ученым изучить процессы на литиевом аноде с беспрецедентной точностью. Исследователи наблюдали, как литий оседал из аккумуляторной жидкости при высоких скоростях зарядки. Такие локально усиленные отложения могут образовывать так называемые дендриты — разветвленные отростки из лития на электроде. Эти образования ограничивают срок службы батарей и, в крайних случаях, могут привести к их разрушению.
«Прорыв нашего исследования заключается в том, что впервые мы смогли отследить такие процессы при реалистичной плотности тока непосредственно в измерительном приборе и графически проконтролировать их воздействия», — подчеркивает Виттшток. Метод также подходит для электродов других типов. Долгосрочная цель состоит в том, чтобы использовать электрохимическую сканирующую микроскопию, чтобы исследовать, как различные этапы предварительной обработки влияют на рост пограничного слоя на электродах.
Источник: https://www.solarserver.de/2020/07/10/batterieforschung-blick-ins-innere-durch-elektrochemische-rastermikroskopie/