Рентген показал, как кремниевые аноды сохраняют контакт в твердотельных батареях

Японские учёные с помощью рентгеновской томографии нанометрового разрешения в реальном времени изучили поведение кремниевого анода в твердотельной батарее. Кремний может хранить больше лития, чем графит, но при заряде его объём увеличивается на 410%, что приводит к механическим напряжениям и потере контакта с твёрдым электролитом.

Кремний продолжает работать, сохраняя частичный контакт, несмотря на расширение и сжатие. Автор: Профессор Юки Орикаса / Университет Рицумейкан, Япония

Исследователи из Университета Рицумейкан под руководством профессора Юки Орикасы построили специальную ячейку с сульфидным электролитом Li₆PS₅Cl. Наблюдения показали, что при циклировании вокруг частиц кремния образуются оболочкообразные пустоты, но полного отслоения не происходит. Части электролита остаются прикреплёнными к кремнию, действуя как микроскопические мостики и поддерживая ионную проводимость.

Было обнаружено, что отслоение происходит не равномерно, а анизотропно: оно начинается по бокам частиц, где давление ниже, в то время как области, сжатые вертикально, остаются соединёнными. Это создаёт зоны сохранённого контакта для прохождения ионов лития. Также на поверхности кремния после циклов остаются тонкие фрагменты электролита, обеспечивающие дополнительные точки контакта.

Анализ показал, что основная потеря ёмкости происходит в первом цикле из-за формирования этих пустот. После стабилизации картины пустот последующие циклы демонстрируют минимальную деградацию. Это означает, что частичное и направленное отслоение может сосуществовать со стабильной работой батареи, если сохраняются непрерывные пути для ионного транспорта.

Исследование, опубликованное в журнале ACS Nano, даёт ценные рекомендации для разработки более надёжных твердотельных батарей следующего поколения, например, для электромобилей.