Учёные из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (HZB) совершили значительный прогресс в разработке новых материалов для литий-ионных аккумуляторов. Исследовательская группа продемонстрировала, что высокопористая оловянная пена способна гораздо эффективнее поглощать механическое напряжение во время циклов зарядки, чем традиционные электроды.

Современные литий-ионные аккумуляторы обычно используют многослойный графитовый электрод, а в качестве противоэлектрода часто применяется оксид кобальта. При зарядке и разрядке ионы лития перемещаются в графит, не вызывая значительных изменений объёма материала. Однако ёмкость графита ограничена, что делает поиск альтернативных материалов актуальным направлением исследований.

Олово можно переработать в высокопористую пену. Междисциплинарная группа в HZB исследовала, как эта оловянная пена (на фото) ведёт себя в качестве электрода батареи. Фото: B. Bouabadi / HZB

Металлические электроды, такие как алюминий или олово, потенциально могут обеспечить более высокую ёмкость. Тем не менее, они имеют тенденцию значительно расширяться в объёме при поглощении лития, что связано со структурными изменениями и усталостью материала.

Олово особенно привлекательно, поскольку его ёмкость на килограмм почти в три раза выше, чем у графита. Кроме того, оно не является редким сырьём и доступно в больших количествах. Одним из способов создания металлических электродов, которые менее подвержены «усталости», является наноструктурирование тонкой металлической фольги. Другой вариант – использование пористой металлической пены.

Команда HZB изучила различные типы оловянных электродов во время процесса разрядки и зарядки с помощью операционной рентгеновской визуализации. Часть экспериментов проводилась на линии BAMline синхротрона BESSY II. Высокоразрешающие радиоскопические рентгеновские изображения были получены в сотрудничестве с экспертами по визуализации доктором Николаем Кардйиловым и доктором Андре Хильгером из HZB.

«Это позволило нам отслеживать структурные изменения в исследуемых электродах на основе олова во время процессов зарядки и разрядки», – говорит доктор Бушра Буабади, первый автор исследования. Вместе с экспертом по аккумуляторам доктором Себастьяном Риссе она изучала, как морфология оловянных электродов изменяется во время работы из-за неоднородного поглощения ионов лития.

Доктор Франсиско Гарсия-Морено создал наилучшую версию оловянного электрода: оловянную пену с бесчисленными порами микрометрового размера. «Мы смогли показать, что механическое напряжение в такой оловянной пене при объёмном расширении значительно снижается», – отмечает доктор Риссе. Это делает оловянные пены перспективным материалом для литиевых аккумуляторов.

Гарсия-Морено уже изучал множество металлических пен, в том числе используемых для компонентов в автомобильной промышленности и алюминиевых пен для электродов аккумуляторов. «Оловянные пены, которые мы разработали в Техническом университете Берлина, обладают высокой пористостью и являются многообещающей альтернативой традиционным материалам для электродов», – говорит он.

Структурирование оловянных пен имеет важное значение для максимально возможного снижения механического напряжения. Технология может быть привлекательной и с экономической точки зрения. «Хотя оловянная пена дороже обычной оловянной фольги, она предлагает более дешёвую альтернативу дорогостоящему наноструктурированию, при этом способна хранить значительно больше ионов лития, что позволяет увеличить ёмкость», – заключают исследователи.

Подробнее на iXBT