Ученые впервые наблюдали за движением лития в твердотельных аккумуляторах

Прорыв в изучении батарей будущего

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. Это позволило выявить не только сам факт перемещения ионов, но и закономерности их движения в сложной структуре твердого электролита.

Метод нейтронной дифракции

Для проведения экспериментов ученным пришлось создать специальный твердотельный аккумулятор. В нем использовался катод из материала NMC622 (оксид никеля, марганца и кобальта в соотношении 60:20:20), высокопроводящий твердый электролит Li5.4PS4.4BrCl0.6 и анод на основе сплава лития и индия. Экспериментальный элемент имел необычайную толщину около 2,5 мм, что позволило получить достаточно сильный нейтронный сигнал и приблизить условия испытаний к реальным конструкциям аккумуляторов.

Неравномерность движения лития

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. Причиной стала неодинаковая плотность электрического тока внутри толстого электрода: часть областей насыщалась литием быстрее других, создавая локальные различия в структуре материала.

Выяснилось, что литий преимущественно следует через более упорядоченные участки, выполняющие роль естественных маршрутов для ионов. Такие пути упрощают переход лития через границу между электродом и твердым электролитом. В напряженных областях материала литий хуже принимается, что приводит к неравномерному распределению ионов.

Влияние температуры и зарядки

При повышении температуры до 100 °C неоднородность распределения лития практически исчезла. Более высокая температура улучшила проводимость твердого электролита, что привело к более равномерному заполнению ионов.

Важное практическое наблюдение связано со скоростью зарядки: именно быстрая зарядка чаще вызывает необратимое смещение лития. Стабильность и срок службы твердотельных аккумуляторов во многом зависят от контроля скорости зарядки и оптимизации интерфейсов между компонентами. Агрессивные высокотоковые режимы оказываются опаснее для твердотельных аккумуляторов, чем просто высокая степень заряда, если она достигается плавно.

Перспективы развития технологий

Твердотельные аккумуляторы считаются одним из самых перспективных направлений развития энергетических технологий. В отличие от литий-ионных батарей с жидким электролитом, они не содержат легковоспламеняющихся жидкостей, что делает их перспективными для использования в электромобилях и портативной электронике.

По словам Ру-Ши Лю, заслуженного профессора химии Национального университета Тайваня, это исследование дает более ясное представление о том, как литий движется внутри твердотельных аккумуляторов. В перспективе такие методы «внутренней диагностики» позволят создавать материалы и архитектуры, в которых литий будет двигаться быстрее и ровнее, снижая риск отказов и увеличивая срок службы устройств.