Исследователи из Корейского института науки и техники (KIST) в Сеуле смогли выявить пути миграции ионов лития в нанопорах, используя универсальную платформу для анализа собственной разработки. Об этом сообщает австралийский портал Mirage News. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Литий-ионные аккумуляторы с начала 1990-х годов занимают доминирующую долю рынка в большинстве сегментов рынка, от небольших бытовых приборов до электромобилей, благодаря постоянному повышению плотности энергии и эффективности. Однако некоторые явления, происходящие в батареях такого типа, до сих пор недостаточно изучены – например, расширение и износ материала анода.
Серьезно продвинуться в устранении этого пробела смогла исследовательская группа KIST во главе с доктором Джэ-Пьюн Ан (Отдел исследовательских ресурсов) и доктором Хонг-Кью Ким (Центр расширенного анализа и данных), получив новые данные за счет наблюдений в режиме реального времени за расширением и износом анодного материала в батареях из-за движения ионов лития.
На производительность и срок службы литий-ионных аккумуляторов влияют различные изменения, происходящие в материалах внутренних электродов во время процессов зарядки и разрядки, но их крайне трудно отслеживать во время работы, поскольку основные материалы батареи, такие как электроды и электролиты, мгновенно загрязняются при контакте с воздухом. Исследовательской группе KIST удалось в режиме реального времени наблюдать за композитным кремний-графитовым анодом, который изучается на предмет его коммерческого использования в качестве батареи большой емкости.
Теоретически зарядная емкость кремния в 10 раз выше, чем у графита, традиционного анодного материала. Однако объем кремниевых нанопорошков увеличивается в четыре раза в процессе зарядки, что затрудняет обеспечение производительности и безопасности.
Было высказано предположение, что нанопоры, образующиеся при смешивании компонентов кремний-графитовых композитов, могут компенсировать объемное расширение кремния во время зарядки аккумулятора, тем самым изменяя объем аккумулятора. Однако роль этих нанопор ранее никогда не подтверждалась прямым наблюдением с помощью кривых электрохимического напряжения.
Используя платформу для анализа батарей собственной разработки, исследователи KIST смогли определить практическую роль нанопор. Установлено, что ионы лития последовательно мигрируют в углерод, нанопоры и кремний в композите кремний-графит.
Кроме того, исследовательская группа отметила, что поры наноразмеров имеют тенденцию накапливать ионы лития (литирование перед заполнением) до частиц лития-кремния (литирование кремния), в то время как поры микроразмера приспосабливаются к объемному расширению кремния, как считалось ранее.
В итоге южнокорейские исследователи пришли к выводу, что новый подход, который надлежащим образом распределяет поры микро- и наноразмеров, чтобы уменьшить объемное расширение кремния (заодно повышая безопасность материала), необходим и эффективен для разработки анодных материалов большой емкости.
«Точно так же, как космический телескоп Джеймса Уэбба знаменует собой новую эру в исследовании космоса, платформа для анализа аккумуляторов KIST открывает новые горизонты в исследованиях аккумуляторных материалов, позволяя наблюдать за структурными изменениями в батареях», – сказал д-р Ан.