Используя по-новому метод зондовой микроскопии для измерения электрического потенциала, группа ученых исследовала, как продлить жизнь батарейкам и сделать их эффективнее.

В твердотельных батареях вместо электрохимических гелей и жидкостей используются твердые электролиты. И одна из проблем этих устройств в том, что на границе между разными частями — катодом и слоем ионопроводящего электролита — есть препятствие, которое мешает потоку электронов. Из-за этого, в частности, такие батарейки подходят только для небольшой электроники.

Многие ученые подозревали, что потеря напряжения или электрического потенциала происходит на стыках внутри батареи, но было неясно, где именно. Национальная лаборатория Сандия приступила к поискам пять лет назад.

«Нас вдохновляли две вещи. Первая — фундаментальная: мы хотим смоделировать хорошие аккумуляторы, чтобы разрабатывать лучшие материалы, — поясняет Алек Талин, один из авторов исследования. — А вторая — чистый поиск. Мы хотели понять, как мы можем спроектировать стыки материала, чтобы избежать потерь. В нашем случае: что мы можем сделать, чтобы ионы лития быстрее перемещались в кремниевом аноде».

Они обратились к зондовой силовой микроскопии Кельвина, которая измеряет электрический потенциал на поверхности. И хотя в Сандии постоянно экспериментируют с методами исследований, работа Талина была выдающейся даже для этой лаборатории.

Напряжение между электродами батареи вычисляется и измеряется относительно легко. Но поймать момент, когда напряжение падает в слоях батареи, уже гораздо сложнее. А именно это напрямую характеризует сопротивление, которое ограничивает производительность и эффективность батареи.

Зондовая микроскопия давно используется для измерения местного напряжения, в том числе и в аккумуляторах. Но результаты замеров с трудом поддавались интерпретации, поскольку в эксперименте традиционно использовали кусочек батарейки, а не ее всю.

Сейчас ученые подошли к вопросу иначе: они разрезали аккумулятор вдоль так, чтобы элементы остались уложенными друг на друга, как слои пирога. Более того, образец сохранил возможность разряжаться и заряжаться, а значит можно было обращаться с ним как с полноценной батареей.

Схема показывает, как применялся метод зондовой силовой микроскопии Кельвина для поиска мест утечки или замедления потока электронов. Голубая линия — поток электронов в новой батарейке, оранжевая — поток при зарядке

Команда обнаружила, что большая часть электрического потенциала батареи теряется на границе между электролитом и анодной (отрицательной) клеммой. И это неожиданно. Большинство ученых подозревали, что проблема возникает где-то на стыке катода и электролита.

Специалисты лаборатории перепроверили данные, используя метод профилирования нейтронной глубины. Так можно понять, где ионы лития находится в каждый момент времени. И в этом эксперименте результат совпал с данными зондовой микроскопии.

«Мы собираемся повторить эксперимент с другими образцами, например твердотельными электрическими системами. В дальнейшем это позволит нам разрабатывать устройства, которые работают так, как нам хочется», — заключает Алек Талин.