Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Исследование: Сталактиты и сталагмиты в батарее

Сталактиты и сталагмиты в батарее? Новое исследование может привести к более долговечным батареям.

Их считают «Святым Граалем» в исследованиях батарей: так называемые «твердотельные батареи». У них больше нет жидкого ядра, как в современных батареях, а они состоят из твердого материала. Это дает несколько преимуществ: среди прочего, эти батареи труднее воспламенить, а также их можно производить в миниатюрных масштабах.

Ученые из Института исследований полимеров Макса Планка теперь обратили внимание на жизненный цикл таких батарей и целенаправленные процессы, которые его сокращают. Благодаря их открытиям в будущем могут быть реализованы более долговечные твердотельные батареи .

Будь то электронный автомобиль, мобильный телефон или беспроводная отвертка, многие устройства, используемые ежедневно, теперь используют перезаряжаемые батареи. Однако у тренда есть и минусы. Например, некоторые сотовые телефоны запретили перевозить в самолетах, а электромобили загорелись. Современные коммерческие литий-ионные аккумуляторы чувствительны к механическим воздействиям.

Так называемые «твердотельные батареи» могли бы стать лекарством. Они больше не содержат жидкого ядра — так называемого электролита — и полностью состоят из твердого материала , например керамического ионного проводника. В результате они механически прочны, негорючи, легко миниатюризируются и нечувствительны к колебаниям температуры.

Но твердотельные батареи обнаруживают свои проблемы после нескольких циклов зарядки и разрядки: хотя положительный и отрицательный полюсы батареи все еще электрически отделены друг от друга в начале, они в конечном итоге электрически соединяются друг с другом внутренними процессами батареи: «Литий дендриты» медленно растут в батарее.

Эти литиевые дендриты растут шаг за шагом во время каждого процесса зарядки, пока два полюса не соединятся. Итог: аккумулятор замыкается и «умирает». Однако до сих пор точные физические процессы, происходящие в этом процессе, еще недостаточно изучены.

Группа под руководством Рюдигера Бергера из отдела Ханса-Юргена Батта взялась за решение этой проблемы и использовала специальный метод микроскопии для более детального исследования процессов. Они исследовали вопрос о том, откуда начинают расти литиевые дендриты. Это похоже на известняковую пещеру, где сталактиты растут с потолка, а сталагмиты — с пола, пока они не соединятся посередине и не образуют так называемый «сталагнат»?

В батарее нет верха и низа, но растут ли дендриты от отрицательного полюса к положительному или от положительного к отрицательному полюсу? Или они одинаково растут с обоих полюсов? Или в батарее есть особые места, которые приводят к зарождению и последующему росту дендритов оттуда?

Группа Рюдигера Бергера, в частности, изучала так называемые «границы зерен» в керамическом твердом электролите. Эти границы формируются при производстве твердого слоя: Атомы в кристаллах керамики в основном расположены очень регулярно. Однако из-за небольших случайных флуктуаций в росте кристаллов образуются линейные структуры, в которых атомы расположены неравномерно — так называемая «граница зерен».

Эти границы зерен видны с помощью их метода микроскопии — «Микроскопия силы зонда Кельвина», — при котором поверхность сканируется острым наконечником. Чао Чжу, доктор философии. Студент, работающий с Рюдигером Бергером, говорит: «Если твердотельная батарея заряжена, силовая микроскопия с зондом Кельвина видит, что электроны накапливаются вдоль границ зерен, особенно вблизи отрицательного полюса». Последнее свидетельствует о том, что граница зерна изменяет не только расположение атомов керамики, но и их электронную структуру.

Благодаря накоплению электронов, т. е. отрицательных частиц, положительно заряженные ионы лития, перемещающиеся в твердом электролите, могут восстанавливаться до металлического лития. Результат: образуются литиевые отложения и литиевые дендриты. Если процесс зарядки повторяется, дендрит будет продолжать расти, пока, наконец, полюса батареи не будут соединены. Формирование таких начальных стадий роста дендритов наблюдалось только на отрицательном полюсе — тоже наблюдалось только на этом полюсе. На противоположном положительном полюсе роста не наблюдалось.

Ученые надеются, что с точным пониманием процессов роста они также смогут разработать эффективные способы предотвращения или, по крайней мере, ограничения роста на отрицательном полюсе, чтобы в будущем можно было использовать более безопасные литиевые твердотельные батареи в широкополосных приложениях.

Исследование: Сталактиты и сталагмиты в батарее

Теги: батарея, энергия

В тренде