Исследователи из Центра энергетических наук и технологий Сколтех (CEST) визуализировали формирование поверхностного пассивирующего слоя на углеродистых электродных материалах аккумуляторного класса с использованием локальной атомно-силовой микроскопии (AFM). Это поможет исследователям разрабатывать и изготавливать аккумуляторы с более высокой производительностью и долговечностью.

Результаты работы, поддержанной Российским научным фондом, были опубликованы в журнале Scientific Reports. Поверхностный пассивирующий слой (SEI) представляет собой тонкий слой продуктов восстановления электролита, образующихся на поверхности анода литий-ионной батареи в течение нескольких начальных циклов.

Он предотвращает дальнейшее разложение электролита, стабилизирует поверхность электрод/электролит и обеспечивает длительный срок службы батареи. Для формирования пленки SEI требуются время и энергия, а ее качество в значительной степени определяет производительность и долговечность батареи: плохо сформированная пленка SEI приводит к быстрому снижению емкости батареи.

Тем не менее, формирование SEI все еще плохо изучено, и ученые используют in situ атомно-силовую микроскопию, которая позволяет непосредственно наблюдать за этим процессом. До настоящего времени большинство подобных измерений проводилось на высокоориентированном пиролитическом графите (ВОПГ), очень чистой и упорядоченной форме графита, который имеет чистую и атомно плоскую поверхность, представляющую собой базовую кристаллографическую плоскость.

Тем не менее, ВОПГ служит плохой заменой фактических материалов для аккумуляторных электродов, поэтому процесс значительно отличается от того, что происходит внутри коммерческой батареи. Команде Сколтеха, возглавляемой научным сотрудником Сергеем Лучкиным и профессором Китом Стивенсоном, удалось визуализировать формирование SEI на материалах для батарей.

Схематическое изображение стандартных (а) и новых (б) АСМ электрохимических элементов / ©www.nature.com

Для этого им пришлось сконструировать электрохимическую ячейку, которая позволяет проводить измерения, необходимые для непосредственного наблюдения за образованием SEI.

«Аккумуляторные материалы — это порошки, и визуализация динамических процессов на их поверхности с помощью АСМ, особенно в жидкой среде, является сложной задачей. Стандартный электрод батареи обладает слишком высокой шероховатостью для таких измерений, а изолированные частицы имеют тенденцию к отделению от подложки во время сканирования. Чтобы решить эту проблему, мы инкапсулировали частицы в эпоксидную смолу и сделали поперечное сечение, таким образом, частицы оказались прочно закреплены в подложке», — говорит Лучкин.

Исследователи обнаружили, что потенциал нуклеации SEI на материалах батарейного типа отличается от ВОПГ. Он также оказался в два раза толще и механически прочнее. Наконец, им удалось продемонстрировать, что SEI лучше связывается с шероховатой поверхностью графита для батареи, чем с плоской поверхностью ВОПГ.

«Исследования интерфейсов и промежуточных фаз батарей с высоким пространственным разрешением, подробно описанные в этой работе, дают новый взгляд на структуру и эволюцию SEI анода. Таким образом, формируются четкие принципы создания электролитов для обеспечения высокой производительности батарей с улучшенной безопасностью», — добавляет Стивенсон.