Нейтроны раскрывают тайны литиевых батарей: как изучение состояний вещества способствует развитию новых типов батарей

Литиевые аккумуляторы — это самый распространенный источник энергии для различных электронных, от средств связи до электромобилей. У них довольно высокая энергетическая плотность, относительно долгий срок службы и низкий вес. Однако им так же присущ ряд недостатков, таких как ограниченный ресурс лития, риск перегрева и воспламенения, а также сложность контроля за процессами, происходящими внутри батареи во время зарядки и разрядки.

Для улучшения характеристик и безопасности литиевых батарей необходимо глубокое понимание физических и химических процессов, в следствии которых наступает изменение состояния вещества (формы, в которой находится литий при определенных режимах температуры и давления) внутри батареи. В литиевых батареях могут наблюдаться различные переходы между этими состояниями, например, плавление, кристаллизация, испарение, конденсация, сублимация и десублимация.

Ученые пришли к выводу, что наиболее эффективным и неразрушающим методом исследования состояния лития в батареях является нейтронная томография. Этот метод использует поток нейтронов для получения трехмерных изображений внутренней структуры объекта. Нейтроны — это элементарные частицы, которые не имеют электрического заряда и могут проникать сквозь многие материалы, в отличие от рентгеновских лучей. Нейтроны также чувствительны к различным состояниям вещества, поскольку они взаимодействуют с ядрами атомов, которые имеют разную плотность и расположение в зависимости от состояния вещества.

В статье «Application of neutron imaging in observing various states of matter inside lithium batteries» авторы описывают, как они использовали нейтронную томографию для изучения различных состояний вещества в литиевых батареях при разных температурах и уровнях заряда. Они использовали специальный экспериментальный стенд, который позволял подогревать и охлаждать батарею, а также подключать ее к источнику тока и нагрузке для зарядки и разрядки. Они также использовали высокоскоростную камеру для синхронизации изображений с нейтронным потоком. Они провели серию экспериментов с разными типами литиевых батарей, включая литий-ионные, литий-полимерные и литий-воздушные батареи.

Авторы показали, что нейтронная томография может детектировать различные состояния вещества в литиевых батареях, такие как:

• Твердое состояние: это состояние вещества, в котором атомы или молекулы упорядочены в регулярную кристаллическую решетку. Нейтронная томография может определить форму и размер кристаллов лития, которые образуются на аноде батареи во время зарядки. Эти кристаллы могут приводить к уменьшению емкости батареи и к короткому замыканию, если они прорастают сквозь сепаратор. Нейтронная томография также может определить структуру и толщину сепаратора, который разделяет анод и катод батареи и предотвращает прямой контакт между ними.

• Жидкое состояние: это состояние вещества, в котором атомы или молекулы свободно перемещаются, но остаются связанными друг с другом. Нейтронная томография может измерить объем и распределение жидкого электролита в батарее, который обеспечивает перенос ионов между анодом и катодом. Электролит играет важную роль в производительности и стабильности батареи, поскольку он влияет на скорость химических реакций, сопротивление и тепловыделение. Нейтронная томография также может обнаружить присутствие жидкого лития на поверхности анода, который может образовываться при высоких температурах и приводить к утечке и воспламенению батареи.

• Газообразное состояние: это состояние вещества, в котором атомы или молекулы полностью разделены и занимают все доступное пространство. Нейтронная томография может детектировать образование и накопление газов в батарее, которые могут возникать в результате побочных реакций между электродами и электролитом. Газы могут вызывать давление и разбухание батареи, а также снижать ее емкость и цикличность. Нейтронная томография также может определить тип и состав газов, например, водород, углекислый газ, оксид углерода и др.

• Плазменное состояние: это состояние вещества, в котором атомы или молекулы ионизированы и состоят из свободных электронов и ионов. Нейтронная томография может регистрировать появление и распространение плазмы в батарее, которая может образовываться при очень высоких температурах и напряжениях, например, при коротком замыкании или перезарядке. Плазма может приводить к разрушению батареи и к возникновению электрического разряда, который может быть опасен для окружающей среды и человека.

Авторы статьи демонстрируют, что нейтронная томография является мощным инструментом для изучения различных состояний вещества в литиевых батареях и для выявления проблем, связанных с их работой и безопасностью. Они также указывают на перспективы развития этого метода для более точного и детального анализа батарей, а также для создания новых типов батарей с лучшими характеристиками и надежностью.