В литий-ионных батареях есть скрытый полимерный связующий слой. Его меньше 5% от веса электрода, он тоньше человеческого волоса в тысячи раз, и до сих пор ученые не могли толком его разглядеть. Оксфордские материаловеды придумали, как сделать невидимое видимым, и уже нашли способ ускорить зарядку аккумуляторов на 40%.
Команда под руководством Станислава Занковского из Оксфордского университета разработала методику окрашивания полимерных связующих, которые используются в анодах литий-ионных батарей.
Проблема невидимки
Связующие компоненты выполняют в батарее критическую работу: они скрепляют частицы активного материала (графита или кремния) между собой и с токосъемником, обеспечивают механическую стабильность и ионную проводимость. Без них электрод рассыплется в пыль.
Беда в том, что этих связующих в электроде — кот наплакал. Менее 5% по массе, распределены они неравномерно, а их толщина может составлять всего 10 нанометров (это в 10 тысяч раз тоньше листа бумаги). В обычный электронный микроскоп их просто не видно — они сливаются с фоном графита.
Химический подсвет
Оксфордская группа предложила элегантное решение: пометить их специальными маркерами — атомами серебра и брома. Эти элементы прикрепляются к полимерным цепочкам и дают сигнал в рентгеновской спектроскопии.
Когда образец исследуют под электронным микроскопом с функцией энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX), серебро и бром «загораются» на снимках, позволяя увидеть точное распределение связующего слоя по объему электрода — вплоть до отдельных нанометровых кластеров.
Что увидели
Вооружившись новой методикой, исследователи сделали два важных открытия.
Во-первых, идеальная картина, где связующий слой равномерной пленкой покрывает каждую частицу графита — это миф. На практике слой карбоксиметилцеллюлозы (CMC) толщиной 10 нм в процессе изготовления электрода рвётся и собирается в неоднородные пятна. Где-то его много, где-то — ноль. Это влияет на производительность батареи.
Во-вторых, подбирая режимы смешивания и сушки электродной пасты, можно управлять миграцией связующего слоя. Оказалось, что короткое погружение электрода в ацетон перед сушкой меняет картину: связующее концентрируется у токосъемника (медной фольги), а верхняя часть электрода остается более пористой.
40% к скорости зарядки
Именно второй эффект дал практический результат. У электродов, обработанных ацетоном, ионное сопротивление пор снизилось на 40% по сравнению с необработанными.
Почему это важно? Ионное сопротивление пор — это то, что мешает литий-ионным батареям заряжаться сверхбыстро. Чем ниже сопротивление, тем быстрее ионы лития могут проникать вглубь электрода. Это прямой путь к ускоренной зарядке электромобилей без деградации батареи.
Метод уже запатентован и работает не только с графитовыми, но и с кремниевыми анодами. Теперь у инженеров есть инструмент, чтобы «видеть», как именно связующие элементы распределяются в электроде, и сознательно оптимизировать технологию производства.