Ученые из Фуданьского университета — профессора Хань-Вэнь Чэн и Жэньчао Чэ — вместе с коллегами разобрали, как с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в реальном времени изучать наноструктуры на границах электродов в батареях. Их обзор вышел в издании Nano-Micro Letters и объясняет, почему это важно: если разглядеть, как ведут себя атомы при работе аккумулятора, можно сделать батареи мощнее, долговечнее и безопаснее.

Современные методы вроде спектроскопии потерь энергии электронов (EELS) или электронной голографии позволяют увидеть:

• как движутся ионы,
• где накапливается заряд,
• как материал деформируется при циклах заряда-разряда.

Такие данные помогают понять, почему одни батареи быстро деградируют, а другие держат нагрузку годами. Например, если отследить, как меняется структура анода при литировании, можно подобрать состав, который не будет трескаться.

Пока метод не идеален: образцы для ПЭМ приходится делать тоньше человеческого волоса, а условия в микроскопе не всегда совпадают с реальной работой батареи. Но даже так результаты дают практические подсказки — какой электродный материал выбрать, как уменьшить потери энергии и увеличить емкость.

Исследование полезно для индустрии: если знать, как именно разрушаются электроды на атомном уровне, можно целенаправленно улучшать их состав. Например, добавить стабилизирующие покрытия или изменить кристаллическую решетку материала. Это ускорит разработку аккумуляторов для электромобилей с большим пробегом или хранилищ для солнечных электростанций.

Главный недостаток — искусственность условий in-situ ПЭМ: образец помещают в вакуум, а не в жидкий электролит, как в реальной батарее. Это может искажать процессы на границах фаз. Кроме того, метод пока слишком дорог для рутинного применения на производствах.

Ранее ученые разработали алгоритм, ускоряющий расчеты в химических реакциях.