Учёные из Оксфорда разработали метод, который может ускорить зарядку и продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов

Исследователи из Оксфордского университета разработали передовую методику, позволяющую визуализировать ключевой компонент внутри электродов литий-ионных аккумуляторов — полимерные связующие вещества. Работа, опубликованная 17 февраля в журнале Nature Communications, может сделать производство батарей более эффективным и улучшить как скорость зарядки, так и общий срок их службы.

Связующие вещества действуют как клей, удерживая вместе материалы электрода (анода). Хотя они составляют менее 5% от общего веса электрода, они сильно влияют на механическую прочность, электропроводность и долговечность батареи при многократных циклах зарядки. До сих пор учёным было сложно точно определить их распределение внутри электрода из-за малого количества и отсутствия чётких визуальных признаков.

Для решения этой проблемы команда создала запатентованную методику окрашивания, которая присоединяет следящие маркеры на основе серебра и брома к широко используемым связующим на основе целлюлозы и латекса. После маркировки связующие можно детектировать с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии или визуализировать с помощью электронного микроскопа.

Ведущий автор исследования доктор Станислав Занковски заявил:

«Эта техника окрашивания открывает совершенно новый инструментарий для понимания поведения современных связующих при производстве электродов. Впервые мы можем точно увидеть распределение этих связующих не только в целом, но и локально, как нанослои и кластеры, и соотнести их с производительностью анода».

Применив новый метод визуализации, команда обнаружила, что даже незначительные изменения в распределении связующего могут существенно повлиять на эффективность зарядки и срок службы. В тестах корректировка этапов смешивания и сушки электродной пасты позволила снизить внутреннее ионное сопротивление экспериментальных электродов на целых 40%, что является серьёзным барьером для быстрой зарядки.

Исследователи также получили детальные изображения чрезвычайно тонких (всего 10 нм) слоёв связующего, покрывающих частицы графита. Методика показала, что изначально равномерное покрытие может разрушаться на неравномерные фрагменты в процессе обработки электрода, что может ухудшать производительность и стабильность батареи.

Соавтор работы профессор Патрик Грант отметил:

«Этот междисциплинарный проект привёл к инновационному подходу к визуализации, который поможет нам понять ключевые поверхностные процессы, влияющие на долговечность и производительность аккумуляторов. Это будет стимулировать прогресс в самых разных областях применения батарей».

Работа поддержана проектом Nextrode Института Фарадея и уже вызвала значительный интерес со стороны индустрии, включая крупных производителей аккумуляторов и электромобилей.