Физики засняли разрядку батарей в рентгеновском «свете»

Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисона и Брукхавенской национальной лаборатории разработали новую рентгеновскую технику, позволяющую визуализировать реакции, происходящие в литий-ионных аккумуляторах. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Авторы работы использовали для исследования ячеек литий-ионных аккумуляторов метод XANES (X-Ray Absorption Near Edge Structure - структура края поглощения рентгеновского излучения). Он позволяет по спектру поглощения рентгеновского излучения (тому, как сильно поглощается излучение) определить в какой степени окисления находятся атомы исследуемого вещества.

Литий-ионный аккумулятор, который химики исследовали в рамках работы, использует в качестве катодного материала фторид железа — FeF₃, смешанный с графитом. Этот материал обладает очень высокой емкостью, грамм FeF₃ способен запасать 712 миллиампер-часов. Это в три раза больше, чем у традиционных оливина (LiFePO₄) и кобальтита лития (LiCoO₂), однако главной проблемой материала является небольшое количество циклов перезарядки. Авторы провели несколько экспериментов по визуализации, чтобы узнать, с чем связано уменьшение емкости материала со временем.

В каждом из экспериментов авторы помещали ячейку аккумулятора в разработанный ими прибор и снимали спектр поглощения с различных точек образца. Затем из набора полученных спектров вычитали сигнал шума, что значительно увеличивало разрешающую способность метода, и комбинировали с изображением, полученным с помощью метода пропускающей рентгеновской микроскопии. В результате для каждой из 512 × 512 точек изображения получался спектр, позволяющий определить химические свойства каждого фрагмента образца. На съемку каждого изображения уходит примерно 8 минут, что позволяет получать данные непосредственно в процессе работы ячейки.

Авторы обнаружили, что фторид железа способен к более полной отдаче накопленного заряда, когда он находится в микропористом состоянии по сравнению с кристаллическим. К тому же, обнаружилась новая проблема, связанная с материалом. Одной из важных характеристик аккумуляторов является скорость их зарядки, как правило, чем больше площадь поверхности катодного материала, тем быстрее он заряжается. Но в случае фторида железа не наблюдается значимого прироста в скорости зарядки при увеличении пористости. Это может оказаться самой трудной частью задачи по созданию аккумуляторов высокой емкости на основе этого вещества.В качестве основного инструмента для исследования ученые использовали синхротрон, установленный в Брукхавене. Это прибор, в котором заряженные частицы ускоряются до скоростей, близких к скорости света с помощью электрических и магнитных полей, при этом происходит генерация так называемого синхротронного излучения. По своим основным характеристикам его можно отнести к рентгеновскому спектру, но, в отличие от обычных рентгеновских трубок, оно обладает на порядки большей интенсивностью. Исследования, производимые с помощью синхротронного излучения, обладают очень широким спектром применений: начиная от определения строения белков, заканчивая многочисленными приложениями в физике тонких пленок.