Натриево-ионные батареи преподносились как экологичная альтернатива литиево-ионным батареям, поскольку они работают на более распространенном природном ресурсе. Однако натриево-ионные батареи столкнулись с серьезной проблемой: катоды быстро разрушаются при перезарядке.
Сотрудникам из Корнелла удалось выявить неуловимый механизм, который может вызвать эту деградацию — переходные дефекты кристалла — с помощью уникальной формы рентгеновской визуализации, которая позволила исследователям зафиксировать мимолетные дефекты во время работы батареи.
Работа группы «Взаимодействие и трансформация метастабильных дефектов в слоистых оксидах для Na-ионных батарей» опубликована в журнале Advanced Energy Materials. Ведущий автор — постдокторант Олег Горобстов.
Руководителем проекта является Андрей Зингер, доцент и стипендиат кафедры материаловедения и инженерии имени Дэвида Кролла в Корнеллском инженерном институте. Его исследовательская группа изучает наноразмерные явления в энергетических и квантовых материалах, часто используя передовые рентгеновские инструменты operando. Эти методы особенно полезны для изучения поведения переходных дефектов, которые появляются лишь на короткое время во время ионного транспорта. В результате, многое об их жизненном цикле и влиянии остается неизвестным.
В сотрудничестве с исследователями из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством профессора Ширли Менг и Advanced Photon Source в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, группа использовала когерентную дифракционную визуализацию Брэгга с высоко синхронизированным рентгеновским пучком для фокусировки на составных частях заряжаемой натриево-ионной батареи, создавая 3D-снимки в реальном времени, которые показывают морфологию и атомные смещения в катодах NaxNi1-yMnyO2.
«Операндо-измерения здесь незаменимы», — сказал Зингер. «Если бы мы посмотрели на батарею до и после первого цикла заряда-разряда, мы бы не увидели никаких дефектов. Но во время работы мы видим, как дефекты образуются и самовосстанавливаются, оставляя после себя заметные «шрамы»».
Для того чтобы объяснить то, что они наблюдали, команда черпала вдохновение в металлах, в которых дефекты, такие как дислокации, позволяют вязким материалам деформироваться без разрушения. Используя металлургическое моделирование, исследователи отследили движение переходных — так называемых метастабильных — дефектов и сделали качественные прогнозы напряжений, которые перемещали их по мере трансформации и самовосстановления материала.
«Дислокации — это одномерные дефекты кристалла. Их наличие в изучаемых нами керамических катодах удивительно, а механизмы их образования еще предстоит понять. Мы обнаружили, что дислокации образуются на переходной антифазной доменной границе», — говорит Горобцов. «Эта предшествующая конфигурация — новый кусочек головоломки, который, как мы надеемся, поможет нам лучше понять динамику дефектов в этом важном классе материалов».