Международная группа исследователей, включая наноинженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего, обнаружила наноразмерные изменения внутри твердотельных батарей, которые могут дать новое представление об улучшении характеристик батарей.
Используя компьютерное моделирование и рентгеновские эксперименты, исследователи смогли детально «увидеть», почему ионы лития медленно движутся в твердом электролите — в частности, на границе раздела электролит-электрод. Их исследования показали, что более быстрые колебания на границе раздела затрудняют движение ионов лития, чем в остальной части материала. Их выводы, опубликованные 27 апреля в журнале Nature Materials, могут привести к новым стратегиям повышения ионной проводимости в твердотельных батареях.
Твердотельные батареи, которые содержат электролиты из твердых материалов, обещают быть более безопасными, долговечными и эффективными, чем традиционные литий-ионные батареи с легковоспламеняющимися жидкими электролитами.
Но главная проблема этих батарей заключается в том, что движение ионов лития более ограничено, особенно в местах контакта электролита с электродом.
«Нашей способности создавать лучшие твердотельные батареи мешает тот факт, что мы не знаем, что именно происходит на границе раздела между этими двумя твердыми телами», — сказал соавтор исследования Тод Паскаль, профессор наноинженерии и химической инженерии, член Центра устойчивой энергетики в Инженерной школе Джейкобса при Университете Сан-Диего. «Эта работа предоставляет новый микроскоп для изучения такого рода интерфейсов. Увидев, что делают ионы лития, и поняв, как они перемещаются по батарее, мы сможем начать разрабатывать способы более эффективного их перемещения туда и обратно».
Для этого исследования Паскаль объединился со своим давним коллегой Майклом Зуерхом, профессором химии Калифорнийского университета в Беркли, чтобы разработать метод прямого зондирования ионов лития на границе раздела. В течение последних трех лет обе группы работали над созданием совершенно нового спектроскопического подхода для исследования закопанных, функциональных интерфейсов, таких как те, что присутствуют в батареях. Лаборатория Паскаля руководила теоретической работой, а лаборатория Зуерха — экспериментальной.
Новая методика, которую они разработали, объединяет два известных подхода. Первый — это рентгеновская адсорбционная спектроскопия, которая предполагает облучение материала рентгеновскими лучами для определения его атомной структуры. Этот метод полезен для исследования ионов лития глубоко внутри материала, но не на границе раздела. Поэтому исследователи использовали второй метод, называемый генерацией второй гармоники, который позволяет идентифицировать атомы именно на границе раздела.
Он включает в себя воздействие на атомы двумя последовательными импульсами частиц высокой энергии — в данном случае рентгеновскими лучами высокой интенсивности с определенной энергией — так, чтобы электроны могли достичь высокоэнергетического состояния, называемого двойным возбужденным состоянием.