Ученые впервые увидели, как литий движется внутри работающей твердотельной батареи

Международная группа исследователей из Института Лауэ — Ланжевена (ILL) совершила прорыв в изучении накопителей энергии: ученые впервые смогли в реальном времени отследить движение ионов лития внутри работающего твердотельного аккумулятора. Для этого была применена нейтронная дифракция — один из немногих методов, позволяющих изучать структуру батареи изнутри в процессе её работы, не нарушая целостности устройства.

Преимущества твердотельных аккумуляторов

Твердотельные накопители рассматриваются как ключевой элемент будущего энергетики. В отличие от стандартных литий-ионных решений, использующих жидкий электролит, в новых системах заряд переносится через твердое вещество. Такой подход обещает значительное повышение безопасности (снижается риск возгорания), а также создание более компактных и энергоемких источников питания.

Тем не менее, переход на твердые электролиты сопряжен с технологическими барьерами. В жидкой среде ионы лития перемещаются хаотично и свободно, тогда как в твердом теле их путь зависит от кристаллической решетки, границ между частицами и распределения плотности тока. Прямое наблюдение за этими процессами до сих пор оставалось крайне сложной инженерной и научной задачей.

Экспериментальная модель

Чтобы заглянуть внутрь процесса, команда спроектировала специализированный экспериментальный элемент. В его состав вошли:

• Катод из материала NMC622 (никель, марганец и кобальт в пропорции 60:20:20);
• Твердый высокопроводящий электролит Li5.4PS4.4BrCl0.6 на основе лития, фосфора, серы, брома и хлора;
• Анод на базе сплава лития и индия.

Для обеспечения качественного сигнала нейтронного рассеивания исследователи собрали лабораторный образец толщиной 2,5 мм, что позволило максимально приблизить условия эксперимента к реальным эксплуатационным нагрузкам.

Результаты и открытия

Данные эксперимента показали, что движение лития в электроде далеко от идеальной равномерности. Даже при низкой скорости зарядки в материале одновременно присутствовали две разные фазы, хотя теоретически ожидалось однородное распределение ионов.

Ученые пришли к выводу, что неоднородность вызвана неравномерной плотностью электрического тока внутри электрода. Это приводило к тому, что одни участки материала насыщались литием быстрее других, формируя локальные структурные различия. Однако при повышении температуры до 100 °C ситуация кардинально изменилась: тепло увеличило проводимость твердого электролита, что позволило ионам лития распределяться гораздо равномернее.

Эксперимент также доказал высокую стабильность сульфидного электролита — его структура осталась практически неизменной после полных циклов зарядки и разрядки. Эти данные критически важны для дальнейшей коммерциализации технологии, так как помогают лучше понять внутренние процессы и оптимизировать состав электродов и режимы эксплуатации будущих аккумуляторов нового поколения.