Новый пятимерный рентгеновский метод визуализации внутреннего состояния аккумуляторов в процессе зарядки и разрядки разработали учёные и инженеры из Брукхейвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory, BNL). Для томографии вращающегося образца используется рентгеновское излучение различных энергий, что позволяет построить пятимерную (три пространственных измерения плюс время и энергия) визуализацию процессов, происходящих внутри аккумулятора. Метод позволяет отслеживать ход химических реакций в аккумуляторах в рабочих условиях. Статья об исследовании опубликована 12 августа в журнале Nature Communications.
Получение аккуратного изображения происходящих внутри аккумуляторов в ходе заряда и разряда процессов — довольно сложная задача. По словам ведущего автора работы Дзюнь Ван (Jun Wang), суметь изучить состояние работающих энергетических материалов in situ — это большой вызов, ведь для этого надо научиться отслеживать внутреннее химическое и фазовое состояние в 3D и связывать его с электрохимическим поведением.
Доктор Ван и её команда объединили рентгеновскую томографию со спектроскопией околопороговой тонкой структуры рентгеновского спектра поглощения (X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) spectroscopy), которая очень чувствительна к химическим и локальным электронным изменениям. Результат — полное трёхмерное изображение работающего аккумулятора с развёрткой по времени и различным энергиям рентгеновского излучения.
Чтобы сделать трёхмерную химическую карту, учёные сканировали аккумулятор излучением различных энергий, которые соответствовали порогам спектров рентгеновского поглощения элементов, поведение которых хотели изучить. При сканировании на каждой энергии, образец вращался на 180 градусов. Эта процедура повторялась для всех этапов зарядки аккумулятора. С помощью этого метода получалось определить химическое состояние и степень окисления каждого исследуемого воксела (трёхмерного пикселя). После сведения всех вокселов вместе получалась трёхмерная «карта».
Исследователи обнаружили, что в процессе заряда литий-фосфат железа (LiFePO4) превращается в фосфат железа неравномерно. На ранних стадиях заряда химические изменения происходят только вдоль определённых направлений. На поздних же стадиях изменения захватывают весь внутренний объём аккумулятора. По словам доктора Ван, если бы они использовали стандартные двумерные способы исследования, они бы не обнаружили этих особенностей. Она считает, что новый метод будет крайне полезным в дальнейших исследованиях.
- Более длительный срок службы;
- Очень стабильное напряжение разряда;
- Использование фосфатов позволяет избежать затрат кобальта и экологических проблем, в частности, при попадании кобальта в окружающую среду при неправильной утилизации.
- LiFePO4 имеет более высокий пиковый ток (а, учитывая стабильность напряжения, — пиковую мощность), чем у LiCoO2.
- Удельная плотность энергии примерно на 14% ниже, чем у новых литий-ионных аккумуляторов.
- LiFePO4-аккумуляторы имеют более низкую скорость разряда, чем свинцово-кислотные или литий-ионные. Так как скорость разряда определяется в процентах от ёмкости аккумулятора, более высокая скорость разряда может быть достигнута в более ёмких аккумуляторах (больше ампер-часов). Однако могут быть использованы LiFePO4-элементы с высоким током разряда (имеющие более высокую скорость разряда, чем свинцово-кислотные батареи, или LiCoO2 той же мощности).
- Из-за более медленного снижения плотности энергии, спустя некоторое время эксплуатации, LiFePO4-элементы уже имеют большую плотность энергии, чем LiCoO2 и литий-ионные.
- LiFePO4 элементы медленнее теряют ёмкость, чем литий-ионные (LiCoO2 [литий-кобальт-оксидные], LiMn2O4 [литий-марганцевая шпинель]), или литий-полимерные.
- Одним из важных преимуществ по сравнению с другими видами литий-ионных аккумуляторов, является термическая и химическая стабильность, что существенно повышает безопасность батареи.
