Новый метод точно отслеживает внутренние процессы батареи для будущих энергетических решений

Будущее мобильности — электромобили, грузовики и самолеты. Но никакая одна конструкция батареи не может обеспечить это будущее. Даже батареи мобильных телефонов и ноутбуков имеют разные требования и разные конструкции. Батареи, которые понадобятся в ближайшие десятилетия, должны быть адаптированы к их конкретным применениям. И это означает понимание того, что именно происходит, максимально точно, внутри каждого типа батареи.

Каждая батарея работает по одному принципу: ионы — атомы или молекулы с электрическим зарядом — переносят ток от анода к катоду через материал, называемый электролитом, и затем обратно. Но их точное движение через этот материал, будь то жидкий или твердый, сбивало ученых с толку на протяжении десятилетий. Знание того, как именно разные типы ионов движутся через разные типы электролитов, поможет исследователям понять, как влиять на это движение, чтобы создавать батареи, которые заряжаются и разряжаются способами, наиболее подходящими для их конкретных применений.

Команда ученых продемонстрировала комбинацию техник, позволяющую точное измерение ионов, движущихся через батарею. Комбинация различных экспериментальных методов измеряет скорость и концентрацию, а затем сравнивает их обе с теорией. Эти методы включают использование ультраярких рентгеновских лучей для измерения скорости ионов, движущихся через батарею, и одновременного измерения концентрации ионов в электролите пока модель батареи разряжалась. Исследовательская команда затем сравнила свои результаты с математическими моделями. Их результат — экстремально точная цифра, представляющая ток, переносимый ионами — то, что называется транспортным числом.

Транспортное число по сути является количеством тока, переносимого положительно заряженными ионами, по отношению к общему электрическому току; расчеты команды установили это число примерно в 0.2. Этот вывод отличается от полученных другими методами из-за чувствительности этого нового способа измерения движения ионов.

Для этого эксперимента исследовательская команда использовала твердый полимерный электролит вместо жидких, широко используемых для литий-ионных батарей. Полимеры безопаснее, так как они избегают проблем воспламенения некоторых жидких электролитов.

В прошлом лучший способ исследовать внутреннюю работу батарей был пропустить через них ток, а затем проанализировать, что произошло после. Способность прослеживать ионы, движущиеся в реальном времени, дает ученым шанс изменить это движение в соответствии с потребностями их конструкции батарей.

Следующий шаг — анализ более сложных полимеров и других материалов, таких как кальций и цинк, и в конечном счете — жидких электролитов.