Ученые проанализировали полуэлемент TiS₂|Li₃YCl₆ в условиях эксплуатации на установке BESSY II с использованием специальной среды для образцов. Результаты помогут усовершенствовать конструкцию твердотельных аккумуляторов и методы работы с ними.
Несмотря на то, что твердотельные аккумуляторы (ТТА) демонстрируют высокую производительность и искробезопасность, их емкость в настоящее время стремительно снижается. Группа ученых из Венского технического университета, Берлинского университета имени Гумбольдта и Немецкого центра авиации и космонавтики провела анализ твердотельного полуэлемента TiS₂|Li₃YCl₆ в режиме реального времени на ускорителе BESSY II с использованием специальной среды для образцов, которая позволяет проводить неразрушающий контроль в реальных условиях эксплуатации. Данные, полученные с помощью комбинации методов мягкой и жесткой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, выявили механизм деградации, который ранее не был обнаружен в твердотельных аккумуляторах. Ученые получили неожиданные результаты, в частности в отношении вредного влияния внутреннего кислорода. Это исследование дает ценную информацию для улучшения конструкции таких аккумуляторов и правил обращения с ними.
Твердотельные аккумуляторы имеют ряд преимуществ перед обычными аккумуляторами, в том числе более высокую удельную энергоемкость и мощность, а также большую безопасность, поскольку в них не используются легковоспламеняющиеся жидкие электролиты. Однако из-за того, что во время работы ионы лития мигрируют между рабочим электродом и противоэлектродом, твердый материал может деформироваться из-за изменения объема, что может привести к образованию трещин.
Чтобы поддерживать контакт между электродами и электролитом, ТТА должны работать под высоким давлением. Изменение объема, а также процессы деградации на границах раздела часто ограничивают срок службы таких аккумуляторов. До сих пор наблюдать за этими процессами экспериментальным путем было практически невозможно, в частности из-за высокого давления, необходимого для работы. Однако доктор Эльмар Катаев, ученый из HZB, разработал среду для образцов, которая позволяет проводить оперативный анализ сверхпроводящих кубитов при высоком давлении с помощью двухцветной — мягкой и жесткой — рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на конечной станции SISSY в BESSY II. Такое сочетание двух разных энергий рентгеновского излучения (жесткого для объемной чувствительности и мягкого для поверхностной) в одной точке доступно только на пучке EMIL.
В сотрудничестве с доктором Кэтрин Маццио из Венского технического университета команда впервые смогла различить реакции на поверхности и в приповерхностных слоях, а также более детально проанализировать механизмы деградации полуэлементов TiS2|Li3YCl6. «Мы сделали несколько неожиданных открытий, особенно в том, что касается вредного влияния собственного кислорода. Мы заметили, что во время циклирования кислородсодержащие соединения мигрируют к катодному токосъемнику, где вступают в реакцию с материалом активного электрода вблизи токосъемника. В результате образуется аморфный слой, богатый оксидами титана. Это основная причина быстрой потери емкости», — говорит Маццио.
Эти результаты чрезвычайно важны для дальнейшего развития твердооксидных топливных элементов. Дело в том, что при производстве компонентов необходимо свести к минимуму или даже предотвратить попадание кислорода в аккумуляторные элементы, отдав предпочтение производству в атмосфере инертного газа. Статья опубликована в журнале ACS Energy Letters.
[Фото: E. Kataev/HZB]
