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.

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.