Набухание электрода в аккумуляторе увидели в микроскоп

Коротко напомним азы: заряжая электрический аккумулятор, с помощью разряда тока мы запускаем химическую реакцию, благодаря которой отрицательный электрод насыщается электронами; одновременно в электрод входят положительно заряженные ионы лития или, скажем, натрия; когда аккумулятор подсоединяют к какому-либо устройству, то есть когда образуется возможность для появления электрического тока, электроны покидают электрод — и положительно заряженные ионы тут уже ничто не держит: они отходят к положительно заряженному электроду.


Через какое-то время аккумулятор начинает работать всё хуже и хуже, и обычно это объясняют тем, что циклы перезарядки плохо влияют на электроды. Но о том, что именно там происходит, учёные могли только догадываться, полагаясь на физические и химические модели процессов.

Увидеть повреждение электродов можно было с помощью просвечивающего электронного микроскопа, однако он, извините за откровенность, работает только с высушенными объектами. Поэтому подобные исследования проводились с открытыми аккумуляторами без электролита, и в выводах приходилось делать поправку на не слишком «естественное» положение аккумулятора.

К счастью, учёным из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) удалось, если можно так сказать, приблизить эти эксперименты к природе: они изготовили крохотный закрытый аккумулятор, в котором один кремниевый электрод со всех сторон был окружён литиевым электролитом. Аккумулятор можно было заряжать и наблюдать за его поведением в электронный микроскоп, не вскрывая его.

В итоге, как пишут авторы работы в журнале Nano Letters, они увидели набухание электрода, которое происходило в реальном времени при перемещении ионов лития внутрь и наружу электрода, происходившем при разрядке и перезарядке аккумулятора. Электрод в заряженном аккумуляторе как будто становился всё толще и толще: его буквально распирало от поступающих в него ионов.

Вот так благодаря электронному микроскопу удалось воочию отследить связь между перезарядкой аккумулятора и деформацией электрода. О том, что такая деформация может возникать из-за движений ионов электролита, конечно, догадывались, но с подобной достоверностью ещё не наблюдали.

Исследователи надеются, что созданная ими модель аккумулятора, которую можно «живьём» наблюдать в микроскоп, поможет в кратчайшие сроки найти способ защиты электродов от деформации и тем самым продлить время жизни аккумуляторов.

Подготовлено по материалам Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Фото на заставке принадлежит Shutterstock.