Исследователи из Университета Чикаго и их коллеги разобрались, как электронный микроскоп - прибор, дающий увидеть материалы на уровне отдельных атомов, - влияет на натриевые аккумуляторы. Работа опубликована в журнале Microscopy and Microanalysis. Главный вывод: мощный пучок электронов не только показывает образец, но и меняет его, и это нужно учитывать, чтобы не получить ошибочные результаты.

"Электронный микроскоп позволяет заглянуть на границы между компонентами батареи и понять, что в ней идёт не так", - поясняет Джеймс Барроу, заместитель директора альянса ESRA (Energy Storage Research Alliance) при Министерстве энергетики США. По его словам, электроны взаимодействуют с образцом и одновременно разрушают его - и этот эффект часто упускают из виду.

Томас Маркезе, аспирант Школы молекулярной инженерии Притцкера (UChicago PME) и первый автор статьи, сравнивает дозу облучения с напором воды в шланге: чем сильнее "давление", тем красивее картинка, но тем выше риск повредить материал. "Мы можем получить красивое изображение, но если напор слишком велик, образец уже не тот, что мы хотели изучать, и выводы могут быть неверными", - говорит он.

В центре внимания - натриевые аккумуляторы. Литий-ионные батареи мощны, но литий и такие минералы, как медь и кобальт, ограничены в ресурсах. Поэтому учёные ищут альтернативы, включая натрий и серу. Исследование стало частью соглашения о сотрудничестве между UChicago PME, Аргоннской национальной лабораторией и компанией Thermo Fisher Scientific.

Совместными усилиями создан современный электронный микроскоп с эффективными детекторами для изучения структуры и химического состава материалов. Обычно для большинства образцов нужна доза в десятки или сотни тысяч электронов на квадратный ангстрем (ангстрем - единица длины, равная одной десятимиллионной доли миллиметра). Новые детекторы позволяют получить много информации уже при 10-50 электронах на квадратный ангстрем - до того, как материал начнёт меняться.

В ходе экспериментов команда переносила образцы в микроскоп при комнатной температуре в инертной атмосфере, чтобы избежать нежелательных реакций. Выяснилось, что охлаждение, которое часто применяют для защиты от радиационных повреждений, в этом случае не помогает - значит, механизм повреждения иной. Доминирующим назвали электростатический заряд. Побочный эффект оказался полезным: заряд "выгонял" ионы натрия из проводящего каркаса, и, сканируя пучком лишь часть образца, учёные смогли вырастить кристаллы металлического натрия на противоположной стороне.

"Мы видим свежую границу между твёрдым электролитом и натрием, которая отражает первое осаждение в безанодных батареях", - отмечает Маркезе. Это подтверждает, что между компонентами не образуется так называемая SEI - межфазная плёнка (слой продуктов побочных реакций на границе электрода и электролита), и именно поэтому система долго работает без потери ёмкости. Впрочем, подчёркивают авторы, речь идёт о лабораторных образцах, а не о готовых устройствах. Дальнейшая задача - изучить кристаллическую структуру натрия, растущего на границе, что может пригодиться при разработке новых топливных элементов.

Источник: Tech Xplore