Ученые сконструировали специальную ячейку для того, чтобы наблюдать за переносом ионов лития между анодом и катодом в твердотельной литий-серной батарее. Поскольку литий с трудом поддается обнаружению рентгеновскими методами, физики HZB доктор Роберт Брэдбери и доктор Инго Манке исследовали образец ячейки с помощью нейтронов, которые чрезвычайно чувствительны к литию. Совместно с доктором Николаем Карджиловым, HZB, они использовали методы нейтронной рентгенографии и нейтронной томографии на приборе CONRAD2 в Берлинском источнике нейтронов BER II1 В работе также были задействованы группы из Гиссена (JLU), Брауншвейга (TUBS) и Юлиха (FZJ).
Ионы лития, наблюдаемые непосредственно
"Теперь у нас есть гораздо лучшее представление о том, что ограничивает производительность батареи", - говорит Брэдбери: "Из данных нейтронной рентгенографии operando мы видим, что существует фронт реакции ионов лития, распространяющихся через композитный катод, что подтверждает негативное влияние низкой эффективной ионной проводимости". Кроме того, изображения 3D-нейтронной томографии показывают, что захваченный литий концентрируется вблизи токоприемника во время подзарядки. "Это приводит к уменьшению емкости, поскольку только часть лития транспортируется обратно при зарядке аккумулятора".
Наблюдаемое распределение лития отлично вписывалось в модель, основанную на теории пористых электродов: "То, что мы наблюдаем здесь в данных нейтронной визуализации, хорошо коррелирует с соответствующими условиями электронной и ионной проводимости из модели", - говорит Брэдбери.
Выявленное узкое место
Эти результаты раскрывают ранее упускавшееся из виду узкое место в разработке твердотельных аккумуляторов, показывая, что в катодных композитах существуют ограничения из-за медленного переноса ионов. Теперь задача состоит в том, чтобы обеспечить более быструю доставку ионов внутри катодного композита. "Без прямой визуализации фронта реакции внутри катодного композита этот эффект мог бы остаться незамеченным, несмотря на его важность для разработки твердотельных аккумуляторов", - говорит Брэдбери.
Примечание 1: Эксперименты проводились в конце 2019 года, до того, как был отключен источник нейтронов BER II. Работа будет продолжена в будущем в рамках совместной исследовательской группы "NI-Matters" между HZB, Институтом Лауэ-Ланжевен (Франция) и Университетом Гренобля (Франция).
Комментарии