Редкий кадр: катод аккумулятора телефона под микроскопом в 3D

Nov 15, 2021

Учёные изучали комплектующие телефона под микроскопом и предоставили 3D-модель кобальтового катода литий-ионного аккумулятора, который используется в Айфонах и Андроид-смартфонах. Они рассмотрели, почему одни «батарейки» стареют быстрее, чем другие.

Изображение — результат сканирования в трёхмерном измерении (в 3D) микроструктуры отрицательного электрода из LiCoO2 (LCO) [Научная работа Джеймса Уилсона, Скотта Кронина, Скотта Барнетта и Стивена Харриса].

Для этого применялся метод сфокусированного электронно-ионного пучка микроскопа FIB-SEM. Посмотрим, что у них вышло.

Анимированная 3D-модель катода LiCoO2 Li-ion-аккумулятора в динамике.

Учёные сделали то, что уже давно нужно было сделать

Сама идея посмотреть телефон под микроскопом приходит в голову немногим людям. Учёные же пошли дальше и воспользовались научными достижениями и прогрессом, чтобы снять аккумуляторный катод в 3D-проекции для форсирования дальнейших улучшений в литий-ионной технологии.

Cрок службы батареи 5-8 лет беспокоит производителей электромобилей [«Неудобная правда об электромобилях», Autonews].

Учёные использовали сканирующий электронный микроскоп. Методом сфокусированного ионного пучка они обследовали положительный электрод просто купленного в магазине аккумулятора. И пришли к весьма интересным выводам.

3D-модель катода: о чём нам она говорит

На трёхмерной проекции сделали количественный анализ. Частицы оказались совершенно неправильной формы (и это проблема). Учёные также просят нас обратить внимание, какое значительное внутреннее растрескивание.

Трещина на 3D-модели кобальтового катода под увеличением.

Трещины приводят к уменьшению (притом серьёзному) средней длины диффузии лития. Простыми словами площадь поверхности частицы катода с такими растрескиваниями будет больше, чем у правильной сферической частицы с той же объёмной долей.

Почему эти формы и трещины так важны?

Со временем любая батарея деградирует, как известно, и выходит из строя — эдакий расходник. И как раз трещины на частицах катода связаны с таким старением.

Трещины и хаотичные формы мешают переносу лития внутри частиц, как проектировали инженеры (узнайте, что происходит внутри и как устроен аккумулятор смартфона).

То есть в любом совершенно новом литий-ионном аккумуляторе с кобальтовым катодом оказываются проблемные частицы. Они препятствуют эффективному переносу лития, плохо воздействуют на напряжения внутри частиц и тем самым ускоряют процесс деградации.

***

В любом современном литий-ионном аккумуляторе для смартфонов и гаджетов непременно есть кобальтовые частицы, которые склонны к разрушению больше, чем остальные. Материал неоднороден и стремится к разрушению со всеми сопутствующими рисками выхода из строя целой ячейки.

Это в очередной раз доказывает нам — брак аккумулятора вероятен даже в самых дорогих и проверенных линейках потребительских устройств.

Больше науки

Пишите вопросы в комментарии. Мы ждём ваши сообщения и ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.