Поскольку промышленность и потребительский рынок постоянно требуют более совершенных и энергоемких батарей, ученые Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработали новую методику зондовой микроскопии, раскрывающей механизмы работы литий-ионных батарей, сообщает physorg.com.

Исследовательская группа во главе с Ниной Балк, Стивеном Джессе и Сергеем Калининым разработали новый тип сканирующей зондовой микроскопии - электрохимическую силовую микроскопию (ЭСМ), с помощью которой можно изучить движение ионов лития через катодный материал батареи. Исследование «Наноразмерное картирование диффузии ионов в катоде литий-ионной батареи» опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.

«Мы можем предоставить детальную картину ионного движения наноразмерного уровня, что превосходит самые современные электрохимические методы в 6-7 раз», - сказал Калинин. Ученые добились результатов, применив напряжение через ЭСМ-зонд к поверхности слоистого катода. Измеряя ответное электрохимическое напряжение (или изменение объема), ученые смогли наглядно представить, как ионы лития проходят сквозь материал. Обычные электрохимические методы, анализирующие электрический ток, а не напряжение, не работают на наноуровне, потому что электрохимический ток слишком мал, чтоб его можно было измерить, объяснил Калинин.

«Насколько нам известно, это первый случай измерения литий-ионного потока в таком пространственном разрешении», - сказал Калинин.

Литий-ионные батареи, которые используются в электронных устройствах (от сотовых телефонов до электромобилей), ценятся за легкость, высокую энергоемкость и возможность подзарядки. Ученые надеются расширить эксплуатационные характеристики аккумулятора, предоставив инженерам подробные сведения о компонентах и динамике батареи.

«Мы хотим понять – с точки зрения наноуровня – почему одна батарея работает, а другая ломается. Этого можно добиться, изучив функционирование на уровне отдельного зерна или протяженного дефекта», - сказала Балк.

Метод новой электрохимической силовой микроскопии (ЭСМ), разработанный в Окриджской национальной лаборатории, может отобразить литий-ионный поток , проходящий сквозь катодный материал. Представленное составное изображение размером 1х1 микрон показывает результат исследования образца с помощью ЭСМ: участки на поверхности катода проявляют разные химические свойства.

ЭСМ-изображение может показать такие элементы, как отдельные зерна, кластеры и дефекты в материале катода. Картирование с высоким разрешением показало, что литий-ионный поток может концентрироваться вдоль границы зерна, это может привести к растрескиванию и поломке батареи. По словам ученых, нужно изучить эти наноразмерные явления и сопоставить их с работой батареи в целом.

«Очень небольшие изменения на наноразмерном уровне могут иметь огромное влияние на уровне всего устройства, - сказала Балк. – Понимание батарей на этом, низком, уровне может помочь с рекомендациями относительно обработки материалов».

Хотя исследование фокусировалось на литий-ионных батареях, команда ученых рассчитывает, что методика будет использована для измерения других электромеханических твердотельных систем, включая другие виды батарей, топливные элементы и аналогичные электрические устройства, которые используют ионное движение наноуровня для хранения информации.

«Мы рассматриваем этот метод как разновидность высокоразрешающей сканирующей зондовой микроскопии, развитием которой мы занимаеся в Научном центре нанофазных материалов (CNMS), - сказал Джессе. - Эти технологии позволяют видеть внутреннюю работу сложных материалов на наноуровне, что соответствуют возросшему значению энергетических исследований».

Материал предоставлен Окриджской национальной лабораторией.