Ученые изучили проводимость отдельных частиц катода литиевой батареи

09:05, 17 декабря 2020

Исследование позволило измерить распределение ионов лития с высоким пространственным разрешением

По словам Владимира Шура (в центре), метод может быть с успехом применен для изучения широкого спектра проводящих материалов. Фото: Илья Сафаров.

Ученые Уральского федерального университета совместно с сотрудниками Института материалов университета Авейру (Португалия) с помощью проводящей атомно-силовой микроскопии измерили проводимость отдельных частиц катода литиевой батареи фирмы Robert Bosch, GmbH. Исследование проводилось в Уральском центре коллективного пользования «Современные нанотехнологии» УрФУ с помощью российского атомно-силового микроскопа NTEGRA Aura. Результаты опубликованы в журнале Ultramicroscopy.

Работа литий-ионных аккумуляторных батарей обеспечивается движением свободных ионов через проводник между двумя электродами: положительно заряженным катодом — оксидом металла — и отрицательно заряженным анодом — пористым углеродом. Во время зарядки аккумулятора ионы движутся от анода к катоду, а во время разрядки — в обратном направлении. В литий-ионных батареях в качестве катода широко используется литий-марганцевая шпинель, распределенная в виде частиц микронных размеров в углеродной матрице. На границе между углеродом и частицей шпинели существует межфазный слой с повышенным электрическим сопротивлением, через который проходят ионы лития при зарядке и разрядке аккумулятора. Изучение проводимости отдельных частиц литий-марганцевой шпинели, а также их поверхностного слоя имеет большое значение для разработки более эффективных аккумуляторов. Однако малый размер зерен усложняет проведение таких исследований.

Проводящая атомно-силовая микроскопия позволяет измерять локальные электрические характеристики с пространственным разрешением вплоть до десятков нанометров. Микроскоп сканирует поверхность образца зондом с нанометровым радиусом закругления. При сканировании проводящий зонд точечно касается поверхности образца, при этом к нему прикладывается переменное напряжение и измеряется величина тока в точке контакта. Таким образом ученые измерили проводимость поверхностного слоя отдельных частиц оксида литий-марганца, подавая при этом переменное напряжение. Были получены локальные вольт-амперные характеристики, описывающие взаимосвязь приложенного электрического напряжения и силы тока. Ученые обнаружили, что поверхностный слой частиц обладает высоким сопротивлением и в значительной степени определяет динамику ионов лития. Причем с увеличением напряжения роль поверхностного слоя возрастает, затрудняя движение ионов.

«Это исследование позволило не только изучить зависимости локальной проводимости от концентрации лития на поверхности частиц литий-ионных проводников, но также измерить распределение ионов лития с высоким пространственным разрешением. Использованный метод и разработанные подходы к анализу результатов могут быть с успехом применены для изучения широкого спектра проводящих материалов», — заключил один из авторов работы, директор УЦКП «Современные нанотехнологии» УрФУ Владимир Шур.