Ученые впервые увидели, как литий движется внутри работающей твердотельной батареи
Международная группа исследователей из Института Лауэ — Ланжевена (ILL) впервые смогла в реальном времени наблюдать, как ионы лития перемещаются внутри работающего твердотельного аккумулятора во время зарядки и разрядки. Для этого ученые использовали нейтронную дифракцию — один из немногих методов, который позволяет заглянуть внутрь батареи без ее разрушения и отследить поведение лития в процессе работы.
Изображение сгенерировано ChatGPTТвердотельные аккумуляторы считаются одним из самых перспективных направлений развития энергетических технологий. В отличие от современных литий-ионных батарей, где перенос заряда происходит через жидкий электролит, в таких системах используется твердый материал. Это потенциально позволяет создавать более безопасные, компактные и энергоемкие батареи с меньшим риском возгорания.
Однако именно переход к твердому электролиту создает новые проблемы. В жидких системах ионы лития перемещаются относительно свободно, а в твердых материалах их движение зависит от сложной структуры кристаллов, границ между частицами и распределения электрического тока. До сих пор ученым было трудно наблюдать эти процессы непосредственно во время работы аккумулятора.
Чтобы решить эту задачу, исследователи создали специальный экспериментальный твердотельный аккумулятор. В нем использовался катод из материала NMC622 (оксид никеля, марганца и кобальта в соотношении 60:20:20), новый высокопроводящий твердый электролит Li5.4PS4.4BrCl0.6 (сложное соединение на основе лития, фосфора, серы, брома и хлора) и анод на основе сплава лития и индия.
Для проведения экспериментов ученым пришлось изготовить необычно толстый лабораторный элемент — около 2,5 мм. Это позволило получить достаточно сильный нейтронный сигнал и одновременно приблизить условия испытаний к реальным конструкциям аккумуляторов.
Наблюдения показали, что движение лития внутри электрода происходит далеко не идеально равномерно. Даже при очень медленной зарядке в разных участках материала одновременно существовали две различные структурные фазы, хотя изначально ученые ожидали более однородного распределения лития.
По мнению исследователей, причиной стала неодинаковая плотность электрического тока внутри толстого электрода. В результате часть областей насыщалась литием быстрее других, создавая локальные различия в структуре материала.
При повышении температуры до 100 °C ситуация изменилась: неоднородность практически исчезла. Более высокая температура улучшила проводимость твердого электролита, благодаря чему ионы лития стали распределяться значительно равномернее.
Кроме того, эксперимент подтвердил высокую стабильность нового сульфидного электролита. Во время полного цикла зарядки и разрядки его структура практически не изменилась, что является важным показателем для будущего применения таких материалов в коммерческих аккумуляторах.
Ученые считают, что полученные данные помогут лучше понять внутренние процессы в твердотельных батареях и оптимизировать их конструкцию — от состава электродов до режимов эксплуатации. В перспективе это может ускорить создание аккумуляторов нового поколения, которые будут сочетать высокую энергоемкость, безопасность и длительный срок службы.
© iXBT
