Сверхточное измерение процесса дало ключ к пониманию того, как минимизировать проблему и сохранить производительность литий-ионной батареи.
Когда ионы лития входят и выходят из электрода батареи по ходу процесса её зарядки и разрядки, наружу просачивается также некоторое количество кислорода снижая в той же мере напряжение батареи (объем энергии, который она выдает).
Процесс это очень не быстрый, но со временем потери растут и в конечном итоге могут снизить емкость аккумулятора на 10-15%.
Не пропустите: Батарея электромобиля: что делать и чего не делать, чтобы она работала долго и хорошо
Специалисты Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США и Стэнфордского университета провели измерение этого процесса с особой точностью и зафиксировали, как пустоты, оставшиеся от вылетающих атомов кислорода, изменяют структуру и химический состав электрода и постепенно уменьшают количество энергии, которое он может хранить.
Полученные результаты противоречат некоторым современным гипотезам и дают новую информацию для разработки более совершенных электродов.
Раскачка в аккумуляторе
Как отмечают сами ученые, литий-ионные батареи работают как кресло-качалка, перемещая ионы лития вперед и назад между двумя электродами, которые временно сохраняют заряд. В идеале из всех тех миллиардов наночастиц, из которых состоит каждый электрод, только эти ионы должны входить и выходить.
Но в идеале не получается. Ученым давно известно, что в процессе зарядки-разрядки из электродов вылетают также и атомы кислорода.
Сосчитать их было очень сложно, поскольку эти утечки слишком ничтожны для непосредственного измерения.
«Общий объем утечки кислорода за более чем 500 циклов зарядки и разрядки аккумулятора не превышает 6%, — говорится в отчете. — Это не такая уж и маленькая цифра, но это в общем. А если измерять количество кислорода, которое выходит за время каждого цикла, то значение составит порядка одной сотой процента».
Ранее считалось, что утечка кислорода происходит только с поверхности наночастиц, так как атомам кислорода очень трудно перемещаться в твердых материалах при температурах, при которых работают аккумуляторы.
Чтобы это перепроверить и лучше понять эти процессы, ученые исследователи аккумуляторы в течение разных промежутков времени, разбирали их и разрезали наночастицы электродов для детального их изучения под так называемом усовершенствованном источнике света Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (один из самых ярких в мире источников ультрафиолетового и мягкого рентгеновского света, а также первый синхротронный источник света «третьего поколения»).
Где с помощью специализированного рентгеновского микроскопа изучали образцы, фотографировали их в высоком разрешении и изучали химический состав каждого. Кроме того образцы были проанализированы с применением птихографического оборудования.
Сначала взрыв, потом тоненький поток
Сравнивая результаты экспериментов с компьютерными моделями того, как может происходить потеря кислорода, ученые пришли к выводу, что первоначальный выброс кислорода действительно срывается с поверхности частиц, но затем кислород начинает как бы тонкой струйкой течь изнутри электрода.
Притом в тех местах, где наночастицы сливались в более крупные сгустки, частицы в центре сгустка кислорода теряли меньше, чем те, которые находились ближе к его поверхности.
Отсюда — всё тот же вопрос: как меняются свойства электрода по мере того, как из него фактически выпадают атомы кислорода? Он разрушается? Или уплотняется? Как оказалось, ни то, ни другое. Но образование пустот не проходит бесследно.
«Когда вылетает атом кислорода, соседние атомы марганца, никеля и кобальта двигаются. Все соседние атомы вынуждены выходить танцуют из своих идеальных позиций, отмечается в отчете. — А такая перегруппировка наряду с химическими изменениями, вызванными отсутствием кислорода, со временем снижает напряжение и эффективность аккумулятора. Само явление известно давно, но механизм его был неясен».
Теперь же, как считают исследователи, «есть научное понимание этой важнейшей причины деградации батарей«, а значит, можно думать над тем, как эффективнее снизить потерю кислорода и её разрушительное воздействие. via