Учёные разработали метод визуализации связующих веществ для повышения эффективности литий-ионных батарей
Исследователи из Оксфордского университета разработали инновационный метод окрашивания, который позволяет впервые визуализировать распределение полимерных связующих в анодах литий-ионных аккумуляторов, что открывает новые возможности для повышения эффективности зарядки и увеличения срока службы батарей, используемых в электромобилях и портативной электронике. Полимерные связующие, несмотря на то, что составляют менее пяти процентов от веса электрода, играют критическую роль в удержании структуры электрода, обеспечении электрической и ионной проводимости, а также механической стабильности. Однако из-за их малого количества и отсутствия различимых особенностей визуализировать эти компоненты внутри структуры батареи ранее не представлялось возможным.
Команда под руководством Станислава Занковского из кафедры материаловедения Оксфордского университета решила эту проблему, применив метод мечения с использованием прослеживаемых маркеров из серебра и брома для связующих на основе целлюлозы и латекса. При исследовании с помощью рентгеновской спектроскопии эти метки создавали уникальные сигнатуры, делая связующие видимыми. Дальнейший анализ с помощью электронной микроскопии позволил получить точную информацию о распределении элементов внутри электрода и топографии его поверхности.
Благодаря новой технике ученые смогли наблюдать, как незначительные изменения в распределении связующих могут кардинально влиять на производительность батареи. Корректируя протоколы смешивания суспензии и сушки, исследователям удалось снизить внутреннее ионное сопротивление в тестовых электродах на целых 40 процентов. Это открытие имеет решающее значение, поскольку высокое внутреннее сопротивление является основным препятствием для создания аккумуляторов с возможностью быстрой зарядки. Кроме того, метод позволил выявить проблемы в ультратонких слоях карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), используемых для покрытия графитовых поверхностей: вместо сплошного покрытия эти слои часто фрагментируются на неоднородные участки в процессе обработки электрода, что негативно сказывается на работе батареи.
Подана патентная заявка на метод окрашивания, который, как отмечают исследователи, эффективен не только для графитовых электродов, но и для электродов из кремния и оксида кремния, что делает его перспективным инструментом для будущих разработок в области аккумуляторных технологий. Результаты этой междисциплинарной работы, объединившей химию, электронную микроскопию, электрохимические испытания и моделирование, были в журнале Nature Communications и, по словам профессора Патрика Гранта, помогут понять ключевые поверхностные процессы, влияющие на долговечность и производительность аккумуляторов в самом широком спектре применений.