На протяжении 25 лет человечество наслаждается преимуществами литий-ионных аккумуляторов, которые сделали революцию в области хранения энергии.
Открытие этих аккумуляторов было отмечено Нобелевской премией по химии в 2019 году, что подчеркивает важность их разработки.
Однако, для дальнейшего прогресса необходимы более совершенные решения, что связано с множеством научных проблем, требующих углубленного изучения.
Одним из перспективных направлений является использование металлического лития в качестве анодов, потому что это позволяет значительно увеличить ёмкость аккумуляторов.
Анод, вовлеченный в процесс разряда, выделяет ионы, которые затем возвращаются во время заряда.
Однако, металлический литий обладает высокой активностью, что порождает риск образования дендритов — тонких кристаллов, способных вырасти до другого электрода и вызвать короткое замыкание.
Это подвергает аккумуляторы опасности возгорания, особенно в сочетании с горючим жидким электролитом, необходимым для передачи ионов.
Для решения проблемы роста дендритов исследуются твердые электролиты, в основе которых лежат керамические и полимерные материалы.
Эти твердые электролиты сохраняют проводимость ионов, замедляя рост литиевых игл и снижая риски.
Основная задача заключается в оптимальном сочетании керамических и полимерных компонентов, а также в использовании таких материалов, которые не ухудшат циклические характеристики аккумуляторов, включая ёмкость, плотность энергии и скорость заряда.
Выбор материалов для твёрдых электролитов является сложной задачей из-за тонкой границы между анодом и электролитом, ширина которой составляет всего 5-50 нм.
Этот участок критически важен для определения характеристик всей батареи, и для дальнейшего совершенствования аккумуляторов необходимо точно исследовать происходящие там процессы.
Обычно учёные используют ядерный магнитный резонанс (ЯМР) для анализа атомарного состава материалов, однако этот метод в данном случае требует длительного времени на измерения, что делает его непрактичным.
Исследователи из израильского института Вейцмана сосредоточились на разработке новой методики для изучения пограничных слоёв аккумуляторов, отложив в сторону непосредственно саму тему аккумуляторов.
Участники исследования подчеркивают, что глубокое понимание фундаментальной физики является ключом к пониманию процессов внутри батарей.
Исследование началось с научного вопроса, не связанного с дендритами, и привело к практическим выводам, способным улучшить технологию аккумуляторов.
В результате учёные объединяли ЯМР с динамической поляризацией ядер, что позволило значительно усилить отклик материала.
Это новшество сделало возможным за короткое время, а не за годы, определить точный химический состав пограничного слоя.
Полученные результаты показали, что оптимальное соотношение керамики и полимера в твёрдом электролите составляет 40% керамики.
Такое соотношение сохраняет цикличность и характеристики аккумулятора.
Исследователи надеются, что их работа станет основой для создания более эффективных литиевых аккумуляторов в ближайшем будущем.
