Исследователям из США и Китая удалось получить изображения высокого разрешения осаждения ионов лития на анод, состоящий из нанопровода и рассмотреть в деталях, как происходит рост материала и как в результате изменения заряда деформируется нанопровод.

Полученная информация может оказаться полезной для разработки более эффекивных литий-ионных аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы широко применяются на практике, однако при их зарядке и разрядке в источнике питания происходит существенное изменение объема материала анода, это изменение приводит к возникновению механического напряжения анодного материала, которое в конечном итоге может привести к разрушению анода. Состоящие из нанопроводов аноды могут обеспечивать процесс зарядки и разрядки, не деформируясь, что должно увеличить срок службы литий-ионного аккумулятора, однако механизмы, протекающие при работе таких электродов на молекулярном уровне, до настоящего времени не были известны.

Для наблюдения за процессами, протекающими на микроуровне, электрохимическая ячейка была смонтирована внутри камеры просвечивающего электронного микроскопа. (Рисунок из Science, 2010, DOI: 10.1126/science.119562)

Международная группа исследователей, работающая под руководством Ян Ю Хуанга (Jian Yu Huang) смогла наблюдать за литиированием и делитиированием (зарядкой и разрядкой) электрода из нанопровода в электрохимической ячейке, находящейся внутри камеры просвечивающего электронного микроскопа, фиксируя процессы, протекающеи на микроуровне.

Электрохимическая ячейка, разработанная группой состояла из анода на основе нанопровода оксида олова (SnO₂), катода из относительно нового материала – смешанного оксида лития и кобальта (LiCoO₂) и ионной жидкости, содержащей электролит - соль лития. Предпринимавшиеся ранее попытки наблюдать за разрядкой-зарядкой литий-ионного аккумулятора с помощью просвечивающего электронного микроскопа на были удачны, так как традиционные электролиты на основе этиленкарбоната испарялись при разрежении, создаваемым в камере микроскопа, переход на обладающие меньшей летучестью ионные жидкости решил проблему испарения.

Нанопровод из SnO₂ был прикреплен к зонду сканирующего туннельного микроскопа, что позволяло осуществлять контроль положения анода в ионной жидкости, дополняя конструкцию электрохимической ячейки. Приложение к системе отрицательного электрического потенциала вызывало протекание электрохимической реакции зарядки аккумулятора, отток ионов лития с катода и их осаждение на анод.

Изображения, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа показали, что по мере протекания реакции ионы лития внедрялись в нанопровод по каналам-дефектам, при этом более чем двукратное увеличение объема анода происходило практически за счет увеличения его длины, а ширина нанопровода практически не изменялась.

Джон Салливан (John Sullivan), один из участников проекта поясняет, что даже при полном погружении нанопровода в ионную жидкость осаждение лития должно приводить к удлинению провода и сохранению его длины. Он добавляет, что исследователи уверены в том, что энергия напряжения, возникающая при удлинении провода, меньше, чем напряжение, вызываемое его утолщением.

Джон Оуэн (John Owen), эксперт по литий-ионным аккумуляторам из Университета Саутгемптона отмечает, что результаты работы Хуанга позволяют понять, как ведет себя электродный материал в реально работающих источниках питания. Он добавляет, что весьма интересным было бы изучение поведения других электродных материалов – например, изготовленных из более интересных в плане практического применения в источниках питания – нанопроводов из кремния.

Источники:

1. Science, 2010, DOI: 10.1126/science.119562

2. http://www.chemport.ru