Ученые впервые наблюдали движение лития внутри работающей твердотельной батареи
Международная группа ученых из Института Лауэ — Ланжевена (ILL) впервые в реальном времени наблюдала движение ионов лития внутри работающей твердотельной батареи. Для этого исследователи применили нейтронную дифракцию — метод, позволяющий заглянуть внутрь аккумулятора без его повреждения. Результаты опубликованы на портале Tech Xplore.
Твердотельные аккумуляторы считаются перспективной альтернативой традиционным литий-ионным батареям: они используют твердый электролит, что снижает риск возгорания и потенциально увеличивает энергоемкость. Однако движение ионов в твердой среде сложнее, чем в жидкой, и до сих пор его не удавалось наблюдать непосредственно во время работы.
Для эксперимента ученые создали специальную лабораторную батарею толщиной около 2,5 мм. Катод был выполнен из материала NMC622 (оксид никеля, марганца и кобальта), электролит — из нового сульфидного соединения Li5.4PS4.4BrCl0.6, а анод — из сплава лития и индия. Такая конструкция позволила получить достаточно сильный нейтронный сигнал для наблюдений.
Наблюдения показали, что литий распределяется внутри электрода неравномерно. Даже при медленной зарядке в разных участках одновременно существовали две различные структурные фазы. По мнению исследователей, это связано с неодинаковой плотностью электрического тока внутри толстого электрода: некоторые области насыщались литием быстрее других.
При нагреве батареи до 100 °C неоднородность практически исчезла. Повышение температуры улучшило проводимость твердого электролита, и ионы стали распределяться равномернее. Кроме того, эксперимент подтвердил стабильность нового сульфидного электролита: его структура не изменилась за полный цикл зарядки и разрядки.
Полученные данные помогут лучше понять внутренние процессы в твердотельных батареях и оптимизировать их конструкцию — от состава электродов до режимов эксплуатации. В перспективе это может ускорить создание аккумуляторов нового поколения с высокой энергоемкостью, безопасностью и длительным сроком службы.
