Исследователи из инженерной школы Университета Вирджинии используют методы нейтронной визуализации в Национальной лаборатории Ок-Ридж, чтобы исследовать литий-ионные батареи и получить представление об электрохимических характеристиках материалов и структур батарей. Их исследование, опубликованное в Journal of Power Sources, было сосредоточено на отслеживании процессов лития и делитирования – или заряда и разряда – в электродах литий-ионных аккумуляторов с использованием тонких и толстых спеченных образцов двух электроактивных материалов, титаната лития и оксида лития-кобальта.
Понимание того, как литий движется в электродах батареи, важно при разработке батарей, которые могут заряжаться и разряжаться с большей скоростью.
В некоторых батареях это самый медленный процесс, а это означает, что улучшение движения лития через электроды может привести к тому, что батареи можно будет заряжать намного быстрее.
«Когда электроды относительно толстые, перенос ионов лития через пористый материал и архитектуру сепаратора может ограничивать скорость заряда и разряда», – сказал Гэри Кениг, доцент кафедры химической инженерии в UVA Engineering. «Чтобы разработать методы улучшения переноса ионов лития через пористые пустые области электрода, заполненные электролитом, мы должны сначала иметь возможность отслеживать перенос и распределение ионов внутри элемента во время процессов заряда и разряда."
По словам Кенига, другие методы, такие как дифракция рентгеновских лучей с высоким разрешением, могут предоставить подробные структурные данные во время электрохимических процессов, но этот метод обычно усредняет относительно большие объемы материала. Точно так же рентгеновская фазовая визуализация может визуализировать концентрации солей в электролитах батареи, но для этого метода требуется специальная спектрохимическая ячейка, и он может получить доступ только к информации о составе между областями электродов.
Чтобы получить подробную информацию в более широкой области, исследователи провели свои исследования, используя нейтроны на канале формирования изображения холодных нейтронов на изотопном реакторе с высоким потоком в Ок-Ридже.
«Литий имеет большой коэффициент поглощения нейтронов, что означает, что нейтроны, проходящие через материал, очень чувствительны к его концентрации лития», – сказал Зиянг Не, ведущий автор и аспирант группы Кенига. «Мы продемонстрировали, что можем использовать нейтронные рентгенограммы для отслеживания лития на месте в тонких и толстых катодах из оксида металла внутри аккумуляторных элементов. Поскольку нейтроны обладают высокой проникающей способностью, нам не нужно было создавать специальные ячейки для анализа, и мы могли отслеживать литий по всей активной области, содержащей как электроды, так и электролит."
Сравнение процесса литирования тонких и толстых электродов важно для понимания влияния неоднородности – локальных вариаций механических, структурных, транспортных и кинетических свойств – на срок службы и производительность батареи. Локальная неоднородность также может привести к неравномерному току батареи, температуре, состоянию заряда и старению. Как правило, с увеличением толщины электрода отрицательное влияние неоднородности на производительность батареи увеличивается. Тем не менее, если бы в батареях можно было использовать более толстые аноды и катоды, не влияя на другие факторы, это помогло бы увеличить емкость накопления энергии.
Для начальных экспериментов образцы тонких электродов имели толщину 0.738 мм для титаната лития и 0.463 мм для оксида лития-кобальта, в то время как толстые образцы титаната лития и оксида лития-кобальта равны 0.886 мм и 0.640 мм соответственно.
«Наша ближайшая цель – разработать модель, которая поможет нам понять, как изменение структуры электрода, например изменение ориентации или распределения материала, может улучшить свойства переноса ионов», – сказал Кениг. «Создав изображения каждого образца в разные моменты времени, мы смогли создать двухмерные карты распределения лития. В будущем мы планируем вращать наши образцы в нейтронном пучке, чтобы предоставлять трехмерную информацию, которая более подробно покажет, как неоднородность влияет на перенос ионов."