Ученые-ядерщики нашли способ увеличить вдвое емкость накопителей энергии

25.06.21 04:59

Бурное развитие в настоящее время электротранспорта, робототехники, а также миниатюризация и повышение функциональности портативных электронных устройств, требуют создания более совершенных электрохимических накопителей энергии.

 

На сегодняшний день наивысшим удельным энергозапасом (до 240 Вт ч/кг) обладают литий-ионные аккумуляторы, основу которых составляет способность электродных материалов включать (интеркалировать) и экстрагировать (деинтеркалировать) ионы лития при зарядке/разрядке аккумулятора. Дальнейшие пути повышения удельной энергии электрохимических источников сегодня связывают с литиевыми накопителями энергии неинтеркаляционного типа, включая литий-ионные источники с металлическим анодом, а также литий-кислородные сборки на основе углеродных катодов с рекордным теоретическим удельным энергозапасом (600 Вт ч/кг и выше).

 

Разработка соответствующих источников тока, однако, встречает трудности, связанные с тем фактом, что на электрохимических границах раздела протекает ряд нежелательных процессов, приводящих к понижению эффективности работы источников питания, а также вызывающих проблемы, связанные с безопасностью использования.

 

В частности, причиной этого является образование и рост мезоскопических структур:

В этой связи актуальным является развитие экспериментальных подходов, которые бы позволяли описывать структуру неоднородностей на электрохимических границах раздела, прежде всего, для наноуровня (1-100 нм), который определяет эволюцию границы раздела в процессе функционирования накопителя. Эффективное использование для этой цели продемонстрировали методы рассеяния тепловых нейтронов, применяемые для изучения планарных границ раздела (с помощью нейтронной рефлектометрии) и развитых границ раздела (с помощью малоуглового рассеяния нейтронов).

 

Высокая проникающая способность нейтронов делает возможным исследование сложных систем со скрытыми для многих методов границами раздела. Наличие жидкого компонента в электролите позволило крайне эффективно использовать вариацию контраста в рассеянии нейтронов на основе изотопного замещения водород/дейтерий.

 

Цикл работ, посвященный диагностике и изучению электрохимических границ раздела для перспективных литиевых накопителей энергии, охватывает экспериментальные структурные исследования, выполненные в Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ на импульсном реакторе ИБР-2 в период 2017-2020 гг., с применением методов нейтронной рефлектометрии (на рефлектометре ГРЭИНС) и малоуглового рассеяния нейтронов (на установке ЮМО). В результате определена связь между микроструктурой границ раздела в материалах, используемых в электрохимических ячейках в разных условиях, и характеристиками накопительных ячеек.

 

На основе данных исследований сформулированы рекомендации по составу и синтезу материалов для улучшения емкости, проводимости и безопасности функционирования литий-ионных и литий-кислородных накопителей энергии нового поколения.

 

Например, в отношении литий-кислородных накопителей рассмотренный переход к электролитам с высокой сольватацией ионов лития в жидкой основе кардинальным образом меняет процесс осаждения продуктов электрохимической реакции, что позволяет увеличить сегодняшний предел по емкости данного типа накопителей более чем в два раза.

 

Другой пример — твердые электролиты керамического типа, для которых рассмотрено использование специальных гомогенизаторов структуры, позволяющих в итоге повысить проводимость керамических мембран более чем в пять раз. В ходе исследований использовались специально разработанные авторским коллективом электрохимические ячейки с модельными границами раздела типа ‘твердый электрод — жидкий электролит’. Данные по рассеянию нейтронов анализировались вместе с обширной электрохимической характеризацией, выполненной на химическим факультете МГУ.

 

Показано, что нейтронная рефлектометрия может эффективно использоваться в изучении различных режимов осаждения лития на металлические электроды. Обнаружен двухступенчатый характер осаждения, когда на первом этапе на поверхности электрода формируется плотный обогащенный литием слой из продуктов химического взаимодействия ионов лития с растворителем, а на втором этапе начинает формироваться переходный слой, который отвечает появлению больших мезоскопических неоднородностей (игольчатых структур). При модификациях электролита посредством добавления неэлектроактивных добавок в рамках борьбы с такими неоднородностями наблюдается сильное подавление роста и значительное изменение состава приповерхностного слоя.

 

Читайте также: