(No Ratings Yet)
Загрузка...Все произошло посреди ночи. Семью разбудил неизвестный шум, затем они увидели что-то подпрыгивающее и горящее на полу. Недолго думая, они положили это «что-то» на пластиковый совок и выбросили в окно. Когда прошел первый шок, оказалось, что из старой Nokia E5 выскочил аккумулятор (телефон не был подключен к зарядному устройству).
Сила, которая ее выбросила из шкафа, должна была быть достаточно большой, потому что защелки крышки батарейного отсека открывался совсем непросто. То место на полу из ламината, где приземлился аккумулятор прогорело и пострадала часть ковра. Подумайте, где вы храните свои телефоны, когда ложитесь спать. Пусть это не будет прямо над вашей головой.
Сентябрь 2016 года. Samsung призывает 2,5 миллиона пользователей телефонов Galaxy Note 7 прекратить их использование. Причина - опасность взрыва установленных в них аккумуляторов. Авиакомпании запрещают брать Note 7 на борт. Это всего лишь два примера. О взрывающихся батареях в смартфонах, ноутбуках и автомобилях мы слышим не раз.
Сообщения об iPhone 8, которые взорвались во время зарядки, были тревожными. Проблема, независимо от масштаба, очень серьезна. Без создания безопасных аккумуляторов в долгосрочной перспективе невозможно массовое производство электромобилей или создание солнечных фотоэлектрических установок, которые должны обеспечивать экологически чистую энергию.
На сегодняшний день самая надежная батарея Ergo A502.
Одной из причин повреждения батарей являются растущие в клетках дендриты. Мы знали о них давно, но только появление новой методики, позволяющей увидеть их на уровне отдельных атомов, должно стать первым шагом для тщательного изучения механизмов, вызывающих взрыв.
Внутренняя жизнь батареи
Исследователи из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC впервые смогли сделать снимки дендритов внутри литий-ионных ячеек. Это кристаллические структуры, которые начинают формироваться, когда клетка перегружена. В этой ситуации ионы лития начинают накапливаться на аноде и формируют фрактальную цепь растущего металлического лития. Когда ветвь такого «дерева» прорывается через пористый сепаратор, у него есть свободный путь к катоду позади него. Когда он вступает в контакт с ним, происходит короткое замыкание.
До настоящего времени дендриты наблюдались под обычным микроскопом. Для достижения более точных наблюдений, использовался ПЭМ (просвечивающий электронный микроскоп). Этот последний метод, хотя и позволил получить очень большое увеличение, все же не дал достаточной точности. Дендриты, просматриваемые под ПЭМ, были нерегулярными и разорванными. Проблема заключалась не только в менее точном увеличении, но и в разрушении дендритной структуры бомбардирующими электронами, испускаемыми ПЭМ. Исследователи сравнили этот эффект с просмотром листа через увеличительное стекло, которое одновременно фокусирует солнечный свет и прожигает в нем дыры.
Совершенно иная картина появилась у ученых, когда они использовали крио-ЭМ (криоэлектронный микроскоп), работе которого была присуждена Нобелевская премия. Новый метод, в отличие от таких методов, как структурная рентгенография, позволяет увидеть материал в его естественном состоянии, даже когда он химически нестабилен или очень деликатен. Это связано с использованием в крио-ЭМ мгновенного замораживания испытуемых образцов в жидком азоте. Это можно сравнить с действием кнопки паузы на пульте дистанционного управления проигрывателя. «Жизнь» белков или в описанном случае батареи прекращается и может быть изучена. Замораживание также устраняет проблему деградации материала, исследуемого самим микроскопом, как в случае с ПЭМ. Изображения, полученные с помощью крио-ЭМ, имеют разрешение на уровне отдельных атомов. В случае с батареями он показал дендриты в совершенно новом виде. Оказалось, что они имеют правильную, точно сформированную шестиугольную форму, которую они сохраняют, даже когда они разветвляются и изгибаются.
Такой высокий уровень детализации позволяет также увидеть структуру атомов, которая образуется на границе раздела между анодом и электролитом. Это называется пограничный слой, который должен быть как можно тоньше, чтобы обеспечить достаточную проводимость. В то же время он не может увеличить свою толщину при длительном использовании батареи.
Когда батарея была впервые исследована с помощью криоэлектронного микроскопа, исследователи впервые обнаружили тот же слой на границе раздела между дендритом и электролитом.
Тот факт, что мы смогли заглянуть внутрь клеток, дает ученым мощный инструмент для понимания того, как процессы, происходящие в батареях, выглядят на атомном уровне. Отныне результаты добавления легирующих примесей в электролит для предотвращения образования дендритов вы сможете увидеть, а не просто проверить. Это также поможет вам понять, как работают разные электролиты и почему некоторые из них работают лучше, чем другие.
