20.06.2010
На фото: Профессор Грей.
Ученые из Кембриджа разработали простой точный способ, чтобы разобраться в химических процессах, происходящих в литиевых ионных аккумуляторах при разных условиях. В этом им помогает новый метод, основанный на спектроскопии ЯМР (ядерном магнитном резонансе).
Технология ионных литиевых аккумуляторов позволила разработать многие электронные приборы, которыми мы сегодня пользуемся в обиходе, как ноутбуки и мобильные телефоны. Более того, ее будут учитывать при разработке следующего поколения электрических машин («Nissan Leaf»), которые будут построены в Великобритании к 2013 году.
Но у литиевых батарей есть один существенный недостаток: после нескольких циклов перезарядки, особенно при быстрой зарядке аккумуляторов, на углеродном катоде могут образовываться крошечные волокна лития под названием дендриты. Эти крошечные волокна могут вызывать короткие замыкания, которые приводят к быстрому перегреву батареи и возгоранию.
Профессор Клэр Грей с Химического факультета объясняет, что мертвые литиевые волокна оказались существенным недостатком на пути коммерциализации нового поколения батарей большой емкости, в которых будет использоваться литий в качестве анода, а не углерод.
Ученые использовали теоретические модели и оптический и сканирующий электронный микроскоп для исследования дендритного образования, но до сих пор не было надежного метода для проведения количественных измерений.
Для этой цели ученые использовали метод на основе ядерной магнитной резонансной спектроскопии, который позволяет разобраться в происходящих химических процессах внутри сантиметровой батарейки.
Поверхность металлического электрода можно представить как комбинацию гладкой пленки и микроструктур с размерами намного меньше глубины проникновения в поверхностный слой (скин-слой). Ученые посчитали размеры дендритов при разных значениях магнитных полей и разных глубинах проникновения. Они показали, что ЯМР- спектроскопия, проводимая во время электрохимического процесса зарядки батарей, может динамически отслеживать рост литиевых микростуктур. Используя простые вычисления на основе глубины проникновения (скин-слоя) металлических структур при радиочастотном возбуждении, они показывали, что можно определить количество плесени или дендритов, образующихся на литии. Полагая, что общая поверхность металлического электрода не изменяется значительно во время электрохимических процессов, изменение в интенсивности литиевого сигнала может характеризовать образование дендритов.
Как утверждает профессор Грей, пожарная безопасность – это главная проблема, которая должна быть решена до того, как мы приступим к производству следующего поколения литий-ионных батарей. Теперь ученые могут следить за образованием дендритов внутри невредимых батарей, умеют определять, когда они образуются и при каких условиях, то есть быстро ликвидировать потенциальные проблемы.
Недавно профессор Грей получила награду Королевского химического общества (the Royal Society of Chemistry's John Jeyes Award) в честь признания ее мирового лидерства в области использования ЯМР для исследования структуры и процессов в неорганических материалах, в частности литий-ионных аккумуляторов.
In situ NMR observation of the formation of metallic lithium microstructures in lithium batteries
Rangeet Bhattacharyya, Baris Key, Hailong Chen, Adam S. Best, Anthony F. Hollenkamp, Clare P. Grey. Nature Materials 9, 504-510 (16 May 2010) doi:10.1038/nmat2764
http://www.admin.cam.ac.uk/news/dp/2010051402
