Физики выяснили, почему со временем уменьшается емкость аккумуляторов

Фото: Toshiyuki IMAI / Flickr

При помощи рентгеновского микроскопа ученые увидели «заторы» на пути движения заряженных частиц, из-за которых батарейки работают не на полную мощность. В будущем исследователи планируют решить эту проблему и создать более эффективные элементы питания.

Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов — анода и катода — и соединяющего их электролита — вещества, проводящего заряженные частицы. Когда аккумулятор заряжается, на электродах создается разность потенциалов, которая заставляет ионы лития перетекать от одного электрода к другому, а при разрядке — в обратную сторону. С каждым циклом зарядки и разрядки аккумулятор работает все хуже — предположительно, из-за «пробок», которые возникают на пути движения ионов.

Используя сканирующий просвечивающий рентгеновский микроскоп (Scanning Transmission X-ray Microscope), авторы работы детально рассмотрели, как образуются скопления ионов в электролите. Оказалось, что дело в «налипающих» на ионы лития электронах, которые мешают заряженным частицам двигаться дальше.

Наличие подобных препятствий на пути ионов лития предполагалось и ранее, однако увидеть их при помощи рентгеновской микроскопии ученым удалось впервые. Более того, они локализовали положение этих электронов вплоть до орбиталей — «ячеек», которые они занимают в молекулах электролита.

Авторы исследования называют скопления электронов «лужами заряда», проводя аналогию с потоком воды. Заряд, распределенный по небольшим «лужам» в электролите, не может течь и, соответственно, совершать полезную работу. С каждым циклом зарядки-разрядки все больше заряда остается в «лужах» внутри электролита, не достигая электродов. Чтобы решить проблему, ученые предполагают разработать новые материалы, в которых вообще не будут образовываться «лужи».

Исследование групп ученых из США и Канады опубликовано в журнале Nature Communications.

Недавно российские ученые решили другую проблему аккумуляторов: они придумали, как их быстрее заряжать.
Теги:

Читать еще на Чердаке: