До создания аккумуляторов нового поколения осталось лишь несколько шагов
Ученые выяснили причины деградации литий-ионных аккумуляторов. Все дело в том, что материалы, используемые в современных аккумуляторах, восстанавливаются во время зарядки не полностью, и с каждым циклом теряют свои свойства. Можно сделать очень емкую батарею, но она проживет совсем не долго. О природе этого явления и о том, как ученые собираются решить эту проблему читайте в статье Why Lithium-ion-batteries Fail, перевод которой мы предлагаем вашему вниманию.
Литий-ионные аккумуляторы используются в наших мобильных телефонах, ноутбуках и цифровых камерах. Лишь немногие мобильные электронные устройства работают на других источниках энергии. В настоящее время электроды аккумуляторов изготавливаются из активных материалов, способных образовывать интеркаляционные соединения. Эти материалы накапливают в своей химической структуре заряд, не претерпевая при этом существенных структурных изменений. Благодаря этому аккумуляторы имеют сравнительно долгий срок службы и безопасны в использовании. При всем этом у интеркаляционных материалов есть один существенный недостаток — ограниченная энергоемкость, то есть количество энергии, которое они способны хранить на единицу объема и массы.
Вот уже более 20 лет в поисках аккумуляторов с большей энергоемкостью ученые экспериментируют с материалами, устойчивыми к постоянным циклам насыщения литием и возврата в исходное состояние. В лабораторных экспериментах выяснилось, что энергоемкость аккумуляторов с подобными материалами многократно превышает емкость аккумуляторов с интеркаляционными материалами. Однако новые материалы пока не используются в промышленности, поскольку имеют ограниченный срок службы. Мартин Эбнер, аспирант лаборатории по наноэлектронике факультета информационных технологий и электротехники (D-ITET) поясняет: «Как правило, такие аккумуляторы теряют емкость буквально после пары циклов зарядки и разрядки». Причиной этого является значительное увеличение объема электродного материала (вплоть до трехкратного) в процессе зарядки аккумулятора. В процессе разрядки объем электродного материала уменьшается, но при этом его исходная структура восстанавливается не полностью. Частицы электродов «отрываются» от электрода, его структура разрушается, и фрагменты теряют контакт с остальными элементами ячейки.
Для изучения процессов внутри аккумулятора использовалось рентгеновское излучение
Чтобы лучше понять сложные электрохимические и механические процессы, происходящие при деградации электрода, а также для того, чтобы найти способы увеличения срока службы аккумуляторов, необходимо неинванзивно изучать электрод во время работы аккумулятора — к такому выводу пришли Мартин Эбнер и профессор Ванесса Вуд, являющаяся руководителем лаборатории по наноэлектронике факультета D-ITET Швейцарской высшей политехнической школы (ETH). Для осуществления задуманного они использовали средство визуализации, разработанное профессором ETH Марко Стампанони. Профессор Стампанони работает на факультете Института по биомедицинским разработкам, входящим в состав факультета D-ITET, а также проводит исследования потоков частиц с помощью рентгеновского томографического микроскопа, установленного на источнике синхротронного излучения Swiss Light Source в исследовательском центре PSI (Paul Scherrer Institute) в Швейцарии. Спектрально чистое и интенсивное рентгеновское излучение синхротрона позволяет получать быстрые рентгеновские снимки с высоким разрешением, с помощью которых впоследствии на компьютере может быть создано трехмерное изображение процесса.
В течение более 15-ти часов экспериментаторы наблюдали за процессами внутри аккумулятора, происходящими во время его зарядки и разрядки. Они получили уникальные трехмерные снимки, на которых запечатлен механизм деградации, происходящей в аккумуляторе, а также провели количественный анализ процессов, происходящих внутри каждой из тысяч частиц в электроде. Результаты их исследования будут опубликованы в журнале Science, а до тех пор предпечатная версия статьи доступна на Science Express — онлайн-странице журнала.
Необратимые структурные изменения
В результате экспериментов выяснилось, что в процессе зарядки частицы оксида олова (SnO) расширяются в результате насыщения ионами лития, которые и являются причиной такого увеличения объема. Ученым удалось определить, что насыщение материала литием в структуре ядро-оболочка происходит равномерно в направлении от поверхности частицы к ее ядру. При этом увеличение объема материала происходит в линейной зависимости от процесса накопления заряда. На рентгеновских снимках можно увидеть, что в процессе зарядки из-за повреждений, возникающих внутри частицы, структура частиц необратимо разрушается. «Такие повреждения возникают не случайным образом», — отмечает Эбнер. Они появляются в тех местах, где кристаллическая решетка изначально имела структурные дефекты. В процессе разрядки объем частицы уменьшается, но изначальная структура материала восстанавливается не полностью, что свидетельствует о неполной обратимости процесса.
Изменение объема каждой отдельной частицы приводит к увеличению объема всего электрода в целом от 50 мкм до 120 мкм. Однако в процессе разрядки объем электрода уменьшается лишь до 80 мкм. Очевидно, что постоянная деформация электрода является свидетельством того, что до сих пор не найден оптимальный полимерный сепаратор, удерживающий электроды вместе и способный выдерживать значительное увеличение объема материалов. Это имеет критичное значение для емкости аккумулятора, поскольку деформация сепаратора приводит к тому, что отдельные частицы «отрываются» от электрода, в результате чего аккумулятор теряет емкость.
Благодаря рентгеновскому томографическому микроскопу, позволившему заглянуть внутрь аккумулятора и понять структурные изменения частиц и электродов, ученым удалось также получить информацию о количественных и пространственно-ориентированных химических процессах. Например, они проанализировали химический состав электрода для определения разницы в динамике насыщения его литием на уровне отдельных частиц и сравнили эти процессы со средним поведением частиц. Эти данные важны для понимания того, как размер и форма частиц и однородность электрода влияют на работоспособность аккумулятора.
Подобное проникновение вглубь аккумулятора было бы невозможно без современного оборудования для рентгеновской томографии, установленного в источнике синхротронного излучения Swiss Light Source. «Без последних достижений в области рентгеновской томографии мы бы не смогли осуществить визуализацию работы аккумуляторов. Благодаря оборудованию мирового класса, разработанному профессором Стампанони и его командой, мы можем воочию увидеть, что происходит в аккумуляторе во время его работы», — добавляет с энтузиазмом Вуд.
В поисках альтернативы материалам с кристаллической структурой
В своих экспериментах ученые в качестве электродного материала использовали оксид олова с кристаллической структурой, поскольку этот материал претерпевает серию сложных трансформаций, которым также подвержены и другие материалы, что позволяет глубже исследовать поведение различных материалов, используемых в аккумуляторах. Ценная информация, полученная в результате таких исследований, является основой для дальнейших поисков новых электродных материалов и структур, устойчивых к увеличению объема электрода. Для профессора Вуда результаты данной работы являются доказательством преимущества использования некристаллических или наноструктурированных материалов вместо материалов с кристаллической структурой. «При проведении исследований и экспериментов не следует забывать о том, что подобные материалы представляют интерес для производителей лишь при условии, что существует возможность наладить их производство в больших объемах и по низкой себестоимости. При всем этом некристаллические и наноструктурированные материалы представляют собой широкое поле для исследований с целью дальнейших инноваций», — подчеркивает Вуд.
Частицы электрода из оксида олова, подвергающиеся структурным изменениям во время зарядки (рис. 1-3) и разрядки (рис. 3-4):
Ученые выяснили причины деградации литий-ионных аккумуляторов. Все дело в том, что материалы, используемые в современных аккумуляторах, восстанавливаются во время зарядки не полностью, и с каждым циклом теряют свои свойства. Можно сделать очень емкую батарею, но она проживет совсем не долго. О природе этого явления и о том, как ученые собираются решить эту проблему читайте в статье Why Lithium-ion-batteries Fail, перевод которой мы предлагаем вашему вниманию.
Литий-ионные аккумуляторы используются в наших мобильных телефонах, ноутбуках и цифровых камерах. Лишь немногие мобильные электронные устройства работают на других источниках энергии. В настоящее время электроды аккумуляторов изготавливаются из активных материалов, способных образовывать интеркаляционные соединения. Эти материалы накапливают в своей химической структуре заряд, не претерпевая при этом существенных структурных изменений. Благодаря этому аккумуляторы имеют сравнительно долгий срок службы и безопасны в использовании. При всем этом у интеркаляционных материалов есть один существенный недостаток — ограниченная энергоемкость, то есть количество энергии, которое они способны хранить на единицу объема и массы.
Вот уже более 20 лет в поисках аккумуляторов с большей энергоемкостью ученые экспериментируют с материалами, устойчивыми к постоянным циклам насыщения литием и возврата в исходное состояние. В лабораторных экспериментах выяснилось, что энергоемкость аккумуляторов с подобными материалами многократно превышает емкость аккумуляторов с интеркаляционными материалами. Однако новые материалы пока не используются в промышленности, поскольку имеют ограниченный срок службы. Мартин Эбнер, аспирант лаборатории по наноэлектронике факультета информационных технологий и электротехники (D-ITET) поясняет: «Как правило, такие аккумуляторы теряют емкость буквально после пары циклов зарядки и разрядки». Причиной этого является значительное увеличение объема электродного материала (вплоть до трехкратного) в процессе зарядки аккумулятора. В процессе разрядки объем электродного материала уменьшается, но при этом его исходная структура восстанавливается не полностью. Частицы электродов «отрываются» от электрода, его структура разрушается, и фрагменты теряют контакт с остальными элементами ячейки.
Для изучения процессов внутри аккумулятора использовалось рентгеновское излучение
Чтобы лучше понять сложные электрохимические и механические процессы, происходящие при деградации электрода, а также для того, чтобы найти способы увеличения срока службы аккумуляторов, необходимо неинванзивно изучать электрод во время работы аккумулятора — к такому выводу пришли Мартин Эбнер и профессор Ванесса Вуд, являющаяся руководителем лаборатории по наноэлектронике факультета D-ITET Швейцарской высшей политехнической школы (ETH). Для осуществления задуманного они использовали средство визуализации, разработанное профессором ETH Марко Стампанони. Профессор Стампанони работает на факультете Института по биомедицинским разработкам, входящим в состав факультета D-ITET, а также проводит исследования потоков частиц с помощью рентгеновского томографического микроскопа, установленного на источнике синхротронного излучения Swiss Light Source в исследовательском центре PSI (Paul Scherrer Institute) в Швейцарии. Спектрально чистое и интенсивное рентгеновское излучение синхротрона позволяет получать быстрые рентгеновские снимки с высоким разрешением, с помощью которых впоследствии на компьютере может быть создано трехмерное изображение процесса.
В течение более 15-ти часов экспериментаторы наблюдали за процессами внутри аккумулятора, происходящими во время его зарядки и разрядки. Они получили уникальные трехмерные снимки, на которых запечатлен механизм деградации, происходящей в аккумуляторе, а также провели количественный анализ процессов, происходящих внутри каждой из тысяч частиц в электроде. Результаты их исследования будут опубликованы в журнале Science, а до тех пор предпечатная версия статьи доступна на Science Express — онлайн-странице журнала.
Необратимые структурные изменения
В результате экспериментов выяснилось, что в процессе зарядки частицы оксида олова (SnO) расширяются в результате насыщения ионами лития, которые и являются причиной такого увеличения объема. Ученым удалось определить, что насыщение материала литием в структуре ядро-оболочка происходит равномерно в направлении от поверхности частицы к ее ядру. При этом увеличение объема материала происходит в линейной зависимости от процесса накопления заряда. На рентгеновских снимках можно увидеть, что в процессе зарядки из-за повреждений, возникающих внутри частицы, структура частиц необратимо разрушается. «Такие повреждения возникают не случайным образом», — отмечает Эбнер. Они появляются в тех местах, где кристаллическая решетка изначально имела структурные дефекты. В процессе разрядки объем частицы уменьшается, но изначальная структура материала восстанавливается не полностью, что свидетельствует о неполной обратимости процесса.
Изменение объема каждой отдельной частицы приводит к увеличению объема всего электрода в целом от 50 мкм до 120 мкм. Однако в процессе разрядки объем электрода уменьшается лишь до 80 мкм. Очевидно, что постоянная деформация электрода является свидетельством того, что до сих пор не найден оптимальный полимерный сепаратор, удерживающий электроды вместе и способный выдерживать значительное увеличение объема материалов. Это имеет критичное значение для емкости аккумулятора, поскольку деформация сепаратора приводит к тому, что отдельные частицы «отрываются» от электрода, в результате чего аккумулятор теряет емкость.
Благодаря рентгеновскому томографическому микроскопу, позволившему заглянуть внутрь аккумулятора и понять структурные изменения частиц и электродов, ученым удалось также получить информацию о количественных и пространственно-ориентированных химических процессах. Например, они проанализировали химический состав электрода для определения разницы в динамике насыщения его литием на уровне отдельных частиц и сравнили эти процессы со средним поведением частиц. Эти данные важны для понимания того, как размер и форма частиц и однородность электрода влияют на работоспособность аккумулятора.
Подобное проникновение вглубь аккумулятора было бы невозможно без современного оборудования для рентгеновской томографии, установленного в источнике синхротронного излучения Swiss Light Source. «Без последних достижений в области рентгеновской томографии мы бы не смогли осуществить визуализацию работы аккумуляторов. Благодаря оборудованию мирового класса, разработанному профессором Стампанони и его командой, мы можем воочию увидеть, что происходит в аккумуляторе во время его работы», — добавляет с энтузиазмом Вуд.
В поисках альтернативы материалам с кристаллической структурой
В своих экспериментах ученые в качестве электродного материала использовали оксид олова с кристаллической структурой, поскольку этот материал претерпевает серию сложных трансформаций, которым также подвержены и другие материалы, что позволяет глубже исследовать поведение различных материалов, используемых в аккумуляторах. Ценная информация, полученная в результате таких исследований, является основой для дальнейших поисков новых электродных материалов и структур, устойчивых к увеличению объема электрода. Для профессора Вуда результаты данной работы являются доказательством преимущества использования некристаллических или наноструктурированных материалов вместо материалов с кристаллической структурой. «При проведении исследований и экспериментов не следует забывать о том, что подобные материалы представляют интерес для производителей лишь при условии, что существует возможность наладить их производство в больших объемах и по низкой себестоимости. При всем этом некристаллические и наноструктурированные материалы представляют собой широкое поле для исследований с целью дальнейших инноваций», — подчеркивает Вуд.
Частицы электрода из оксида олова, подвергающиеся структурным изменениям во время зарядки (рис. 1-3) и разрядки (рис. 3-4):
Тому хочу запитати у спеців, та тих, хто, можливо, користується схожим на мій девайсом: який акумулятор порадите на заміну, щоб тримав хоча б днів 3 в режимі очікування і хоча б 2 з навантаженням? Оригінальних літій-полімерних нокіївських, як я розумію, нажаль, нема. Розгон своєму акуму робив, хоча, як пишуть в інтернеті, акуми літій іонні і літій-полімерні цього не потребують. 
