Ученые Центра энергетических наук и технологий Сколтеха использовали локальную атомно-силовую микроскопиию, чтобы показать, как формируется поверхностный пассивирующий слой на аноде литий-ионной батареи. Работа поможет исследователям разрабатывать и изготавливать устройства хранения энергии с повышенной эффективностью и долговечностью. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, опубликованы в журнале Scientific Reports.

Поверхностный пассивирующий слой — это тонкая прослойка из продуктов восстановления электролита, который образуется на поверхности анода литий-ионной батареи в течение нескольких первых циклов. Он защищает электролит, стабилизирует поверхность электрода и продлевает срок службы батареи. Чтобы такая пленка создалась, требуется достаточно много времени и энергия, а ее качество в значительной степени определяет производительность и долговечность аккумулятора, так как при недостаточной толщине пассивирующего слоя его емкость быстро снижается.

Чтобы исследовать формирование этой пленки и процессы, которые происходят при этом, ученые используют in situ атомно-силовую микроскопию, которая позволяет непосредственно наблюдать за этим процессом. До настоящего времени большая часть такого рода измерений исследователи проводили на высокоориентированном пиролитическом графите (ВОПГ), очень чистой и упорядоченной форме этого углеродного материала, поверхность которого очень чистая и имеет минимум дефектов. Тем не менее, в реальных условиях поверхность электрода сильно отличается от ВОПГ, поэтому использовать его для описания процессов в реальных устройствах некорректно.

Ученые из Сколтеха смогли визуализировать формирование пассивирующего слоя на материалах для батарей. Для этого они создали электрохимическую ячейку, которая позволяет проводить измерения, необходимые для непосредственного наблюдения за ее образованием.

«Обычно материалы для аккумуляторов поставляются в виде порошков, и визуализировать динамические процессы на их поверхности с помощью АСМ, особенно в жидкой среде, довольно сложно. Стандартный электрод батареи имеет слишком высокую шероховатость для таких измерений, а изолированные частицы могут отделяться от подложки во время сканирования. Чтобы решить эту проблему, мы поместили частицы в эпоксидную смолу и сделали поперечное сечение, таким образом, частицы оказались прочно закреплены в подложке», — говорит научный сотрудник Сколтеха Сергей Лучкин.

Авторы обнаружили, что потенциал нуклеации пассивирующего слоя на аккумуляторных электродах отличается от ВОПГ. Этот слой также оказался в два раза толще и механически прочнее. Наконец, ученые продемонстрировали, что пассивирующий слой лучше связывается с шероховатой поверхностью графита для батареи, чем с плоской поверхностью ВОПГ.