Хімічні та фазові зміни всередині акумулятора в процесі заряду.
Новий п'ятимерний рентгенівський метод візуалізації внутрішнього стану акумуляторів у процесі зарядки і розрядки розробили вчені та інженери з Брукхейвенської національної лабораторії (Brookhaven National Laboratory, BNL). Для томографії обертового зразка використовується рентгенівське випромінювання різних енергій, що дозволяє побудувати п'ятимерну (три просторових вимірювання плюс час і енергія) візуалізацію процесів, що відбуваються всередині акумулятора. Метод дозволяє відстежувати хід хімічних реакцій в акумуляторах в робочих умовах. Стаття про дослідження опублікована 12 серпня в журналі Nature Communications.
Отримання акуратного зображення, що відбуваються всередині акумуляторів в ході заряду і розряду процесів - досить складне завдання. За словами провідного автора роботи Дзюнь Ван (Jun Wang), зуміти вивчити стан працюючих енергетичних матеріалів in situ - це великий виклик, адже для цього треба навчитися відстежувати внутрішній хімічний і фазовий стан в 3D і пов'язувати його з електрохімічною поведінкою.
Доктор Ван і її команда об'єднали рентгенівську томографію зі спектроскопією навколопорогової тонкої структури рентгенівського спектру поглинання (X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) spectroscopy), яка дуже чутлива до хімічних і локальних електронних змін. Результат - повне тривимірне зображення працюючого акумулятора з розгортанням за часом і різними енергіями рентгенівського випромінювання.
Щоб зробити тривимірну хімічну карту, вчені сканували акумулятор випромінюванням різних енергій, які відповідали порогам спектрів рентгенівського поглинання елементів, поведінку яких хотіли вивчити. При скануванні на кожній енергії зразок обертався на 180 градусів. Ця процедура повторювалася для всіх етапів зарядки акумулятора. За допомогою цього методу виходило визначити хімічний стан і ступінь окислення кожного досліджуваного вокселу (тривимірного пікселя). Після зведення всіх вокселів разом виходила тривимірна «карта».
Дослідники виявили, що в процесі заряду літій-фосфат заліза (LiFePO4) перетворюється на фосфат заліза нерівномірно. На ранніх стадіях заряду хімічні зміни відбуваються тільки вздовж певних напрямків. На пізніх же стадіях зміни захоплюють весь внутрішній обсяг акумулятора. За словами доктора Ван, якби вони використовували стандартні почесні способи дослідження, вони б не виявили цих особливостей. Вона вважає, що новий метод буде вкрай корисним у подальших дослідженнях.
LiFePO4-акумулятори походять від літій-іонних, проте мають ряд істотних відмінностей:
- Більш тривалий термін служби;
- Дуже стабільна напруга розряду;
- Використання фосфатів дозволяє уникнути витрат кобальту та екологічних проблем, зокрема, при потраплянні кобальту в навколишнє середовище при неправильній утилізації.
- LiFePO4 має вищий піковий струм (а, враховуючи стабільність напруги, - пікову потужність), ніж у LiCoO2.
- Питома щільність енергії приблизно на 14% нижча, ніж у нових літій-іонних акумуляторів.
- LiFePO4-акумулятори мають нижчу швидкість розряду, ніж свинцево-кислотні або літій-іонні. Оскільки швидкість розряду визначається у відсотках від ємності акумулятора, більш висока швидкість розряду може бути досягнута в більш ємних акумуляторах (більше ампер-годин). Однак можуть бути використані LiFePO4-елементи з високим струмом розряду (мають більш високу швидкість розряду, ніж свинцево-кислотні батареї, або LiCoO2 тієї ж потужності).
- Через більш повільне зниження щільності енергії, через деякий час експлуатації, LiFePO4-елементи вже мають більшу щільність енергії, ніж LiCoO2 і літій-іонні.
- LiFePO4 елементи повільніше втрачають ємність, ніж літій-іонні (LiCoO2 [літій-кобальт-оксидні], LiMn2O4 [літій-марганцева шпинель]), або літій-полімерні.
- Однією з важливих переваг порівняно з іншими видами літій-іонних акумуляторів, є термічна і хімічна стабільність, що істотно підвищує безпеку батареї.
