Самопроизвольное образование нанотрубок в аккумуляторах

Было обнаружено, что способность образовывать и реверсивно заполнять полые частицы во время циклов зарядки-разрядки батареи проявляется только в нанокристаллах сурьмы с оксидным покрытием, диаметр которых составляет менее 30 нанометров

Обнаружено неожиданное свойство кристаллов сурьмы в нанометровом масштабе - самопроизвольное образование полых структур, которое может придать литий-ионным батареям следующего поколения более высокую плотность энергии без сокращения срока их службы. Обратимо полые структуры могут позволить аккумуляторам удерживать больше энергии и, следовательно, выдавать большую мощность во время использования.

Поток ионов лития между легкосплавными анодами долгое время был ограничивающим фактором того, сколько энергии батареи могли бы хранить. Слишком большой поток ионов вызывает набухание и сжатие анодных материалов во время циклов зарядки-разрядки, вызывая их механическое разрушение, которое сокращает срок службы аккумуляторов.

Исследователи обнаружили, что частицы, в тысячу раз меньшие ширины человеческого волоса, самопроизвольно образуют полые структуры в течение цикла зарядки-разрядки без изменения своего размера, что позволяет увеличить поток через них ионов без повреждения анодов. Исследование раскрывается в авторитетном журнале Nature Nanotechnology, https://doi.org/10.1038/s41565-020-0690-9.

«Возможность создания полых наноматериалов уже давно реализована, и это многообещающий подход для улучшения срока службы и стабильности батарей с высокой плотностью энергии». «Проблема заключается в том, что целенаправленный синтез этих полых наноструктур в больших масштабах, необходимых для коммерциализации, является сложным и дорогостоящим процессом. Представленное открытие может предложить более простой и упорядоченный процесс».

Исследователи сделали свое открытие, используя электронный микроскоп с высоким разрешением, который позволил им непосредственно наблюдать реакции батареи в нанометровом масштабе. «Это сложный эксперимент, но, если проявить терпение и строго следить за ходом эксперимента, можно узнать действительно важные вещи о том, как ведут себя материалы».

Команда, в состав которой входили исследователи из ETH Zürich и Oak Ridge National Laboratory, кроме этого, использовала моделирование для создания теоретической основы для понимания того, почему наночастицы становятся полыми самопроизвольно и не сжимаются.

Было обнаружено, что способность образовывать и реверсивно заполнять полые частицы во время циклов зарядки-разрядки батареи проявляется только в нанокристаллах сурьмы с оксидным покрытием, диаметр которых составляет менее 30 нанометров.

Исследовательская группа обнаружила, что такое поведение возникает из-за упругого не модифицированного оксидного слоя, который допускает начальное расширение во время литирования (поток ионов в направлении к аноду), однако механически предотвращает усадку, так как сурьма образует пустоты во время удаления ионов, в процессе, известном как делитирование.

Открытие стало неожиданностью, потому что более ранняя работа над родственными материалами выполнялась с более крупными частицами, которые расширяются и сжимаются вместо формирования полых структур. «Когда впервые была обнаружена характерная полость, это было очень захватывающе, и сразу стало понятно, что это может иметь важные последствия для производительности батареи».

Сурьма относительно дорога и в настоящее время не используется в коммерческих аккумуляторных электродах. Однако исследователи считают, что самопроизвольное выдавливание может происходить и в менее дорогостоящих материалах, таких как олово.

Источник: Georgia Institute of Technology