Нейтронный мониторинг решит проблему металлического лития в батареях

Многочисленные достоинства литий-ионных батарей — малая масса, высокая энергоемкость, компактность — уже обеспечили им широкое распространение и позволили рассматривать как перспективную технологию для будущих приложений, в особенности, электромобилей.

Одной из проблем, стоящих на пути реализации таких целей, является давно известное, но плохо изученное явление — осаждение металлического лития.

Катод в литий-ионных батареях состоит из оксида лития, а анод обычно изготовляют из графита, в слоях которого ионы лития накапливаются при зарядке.

Но иногда, вместо просачивания в материал анода ионы осаждаются на нем в виде металлического лития. Этим они исключаются из процесса переноса заряда, что снижает производительность батарей. В экстремальных случаях рост слоя лития может приводить к коротким замыканиям, кроме того этот щелочной металл сам по себе склонен к возгоранию.

Ученые из Мюнхенского Технического университета (Technische Universität München, TUM) нашли способ, как заглянуть внутрь работающей батареи не разрушая ее. Для этого они использовали пучки нейтронов, излучаемые источником FRM II (Neutron Source Heinz Maier-Leibnitz). Попутно, они разрешили загадки, связанные с образованием литиевого покрытия.

Падающие нейтроны рассеивались в соответствии с законом Брэгга и улавливались детектором дифрактометра STRESS-SPEC. Анализируя эти сигналы исследователи могли определить количество выделившегося металлического лития.

Предварительные результаты экспериментов позволяют сделать ряд интересных выводов. Так, оказалось, что чем быстрее зарядка, тем больше ионов лития (до 19% при — 20 °C) осаждается в виде металла.

В течение 20 часов после быстрой зарядки часть металлического лития вступает в реакцию с графитом и проникает между его слоями в виде ионов, медленно дозаряжая батарею. Однако, такая «повторная переработка» возможна только для части литиевого покрытия. Также установлено, что образованию металлического лития способствуют низкие температуры.

Авторы, поделившиеся итогами своей работы с читателями издания Journal of Power Sources, надеются, что дальнейшие эксперименты по новой методике позволят пролить свет на остальные аспекты механизма формирования литиевого покрытия. В частности, их интересует с какой скоростью следует заряжать батареи, чтобы исключить этот эффект вообще.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI