Ученые исследовали полуэлемент TiS2|Li3YCl6 в рабочих условиях на установке BESSY II, применяя уникальную среду для образцов. Эти результаты открывают путь к усовершенствованию конструкции твердотельных аккумуляторов и методов их эксплуатации.
Вызовы для твердотельных аккумуляторов
Хотя твердотельные аккумуляторы (ТТА) демонстрируют высокую производительность и безопасность, их емкость часто быстро падает. Международная команда из Венского технического университета, Берлинского университета имени Гумбольдта и Немецкого центра авиации и космонавтики провела уникальный анализ полуэлемента TiS2|Li3YCl6 в реальном времени на синхротроне BESSY II. Специальная среда позволила провести неразрушающий контроль при рабочих условиях.
Новый взгляд на деградацию
Комбинация методов мягкой и жесткой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии выявила ранее неизвестный механизм деградации в твердотельных аккумуляторах. Ученые получили неожиданные данные, особенно о пагубной роли внутреннего кислорода. Это исследование дает ценнейшие сведения для улучшения конструкции батарей и протоколов их использования.
Преимущества и сложности технологии
Твердотельные аккумуляторы превосходят обычные по удельной энергоемкости, мощности и безопасности, поскольку исключают легковоспламеняющиеся жидкие электролиты. Однако миграция ионов лития между электродами вызывает изменение объема твердого материала, ведущее к деформациям и трещинам.
Прорывная методика анализа
Для поддержания контакта электродов ТТА требуют высокого давления. Деградация на границах и изменение объема ограничивают срок службы. До сих пор наблюдать эти процессы было крайне сложно из-за высокого давления. Доктор Эльмар Катаев создал среду для образцов, позволяющую проводить оперативный анализ при высоком давлении с помощью комбинированной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на станции SISSY в BESSY II. Сочетание жесткого (объемная чувствительность) и мягкого (поверхностная чувствительность) излучений уникально доступно на пучке EMIL.
Ключевое открытие: роль кислорода
Совместно с доктором Кэтрин Маццио из Венского технического университета команда впервые детально изучила реакции на поверхности и в приповерхностных слоях полуэлементов TiS2|Li3YCl6. ""Мы сделали важные открытия, особенно о вредном влиянии собственного кислорода. Во время циклов кислородсодержащие соединения мигрируют к катодному токосъемнику, реагируя с активным материалом электрода. Образуется аморфный слой, богатый оксидами титана. Это ключевая причина стремительной потери емкости"", — поясняет Маццио.
Перспективы для будущего
Эти выводы крайне важны для прогресса твердотельных аккумуляторов. Производство компонентов должно минимизировать или полностью исключить попадание кислорода в элементы, предпочтительно в атмосфере инертного газа.
Источник: scientificrussia.ru
