Новые горизонты в твердотельных батареях: эффект пространственного заряда

Современные исследования направлены на создание более совершенных твердотельных аккумуляторов. Эти батареи обещают повышенную рабочую мощность, большую емкость и, что немаловажно, полную безопасность, исключая риск возгорания. Ученые из Общества Макса Планка совместно с японскими университетами провели глубокое изучение эффектов пространственного заряда, которые ранее считались источником дополнительного сопротивления при зарядке и разрядке.

Используя передовые микроскопические методы, исследователи впервые смогли точно определить пространственные границы и обусловленное ими сопротивление зоны пространственного заряда. Этот прорыв открывает путь к созданию более эффективных источников питания.

Твердотельные аккумуляторы – это будущее как для электромобилей, так и для стационарных систем хранения энергии. Их главное преимущество заключается в использовании твердых электролитов вместо жидких, что исключает утечки и минимизирует риск возгорания.

«Батарея действует как насос», – объясняет Рюдигер Бергер, руководитель группы в MPI-P. «Ионы, или заряженные атомы, перемещаются внутри батареи, что должно быть сбалансировано снаружи потоком электронов, то есть током».

В процессе миграции ионов в батарее могут образовываться так называемые слои пространственного заряда на внутренних границах. Эти слои отталкивают другие мигрирующие ионы, создавая дополнительное сопротивление и, как следствие, потери энергии. Исследователи обнаружили, что этот эффект наиболее выражен у положительного электрода, где формируется слой толщиной менее 50 нанометров – это сравнимо с толщиной самого тонкого мыльного пузыря.

Более того, было установлено, что этот слой обладает динамической природой и его толщина зависит от текущего состояния заряда батареи. Вклад этого слоя в общее сопротивление батареи составляет около 7%, однако при использовании различных материалов электролита это значение может быть и выше.

До недавнего времени сведения о размерах таких зарядовых слоев и их влиянии на поток тока были весьма ограниченными. Различные научные группы по всему миру предлагали разные оценки толщины этих слоев, используя множество методик.

Международная команда под руководством Бергера применила два новых микроскопических метода для точного определения места и механизма формирования зарядового слоя. Основной задачей было исследование граничного слоя в модельной батарее в квазирабочем режиме при различных состояниях заряда.

Была создана тонкопленочная модельная батарея, которую изучали с помощью кельвин-зондовой силовой микроскопии и ядерно-реакционного анализа. Кельвин-зондовая силовая микроскопия позволила сканировать поперечное сечение батареи, анализируя локальное влияние напряжения и наблюдая электрические потенциалы в реальном времени. Ядерно-реакционный анализ помог выявить накопление лития на границе с положительным полюсом батареи.

«Обе методики являются новаторскими для исследований батарей и могут быть применены для решения других задач в будущем», – отмечает Таро Хитосуги из Токийского университета. Дальнейшие исследования, направленные на модификацию материалов или структуры электродов, могут позволить существенно снизить сопротивление и повысить производительность твердотельных аккумуляторов.