### Новая методика визуализации связующих в литий-ионных аккумуляторах

Исследование, проведённое с использованием энерго-селективной обратной рассеянной электронной (EsB) визуализации, позволило обнаружить наноскопические слои карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и агломераты стирол-бутадиенового каучука (СБК) на частицах графита в лабораторно изготовленном аноде литий-ионного аккумулятора после обработки бромом. Различия в стабильности между бромированными СБК и КМЦ при электронной визуализации позволяют индивидуально идентифицировать оба связующих на изображениях EsB. Для облегчения различения фаз связующего изображения были дополнительно окрашены.

#### Разработка метода и его значение

Была создана усовершенствованная методика, позволяющая чётко визуализировать ключевые компоненты внутри электродов литий-ионных аккумуляторов, отслеживание которых ранее представляло значительные трудности. Результаты исследования, опубликованные 17 февраля в журнале Nature Communications, могут повысить эффективность производства аккумуляторов и способствовать улучшению скорости зарядки и увеличению срока службы литий-ионных батарей.

#### Роль связующих в аккумуляторах

В центре внимания исследования находились полимерные связующие, применяемые в отрицательных электродах (анодах) литий-ионных аккумуляторов. Эти связующие выполняют функцию клея, соединяя материалы электрода. Несмотря на то, что их масса составляет менее 5% от общей массы электрода, они существенно влияют на механическую прочность, электрическую и ионную проводимость, а также на долговечность аккумулятора при многократных циклах зарядки. Из-за малых количеств и отсутствия чётких визуальных признаков точное определение их расположения внутри электрода было затруднено, что ограничивало возможности по оптимизации характеристик аккумуляторов, поскольку распределение связующего напрямую влияет на проводимость, структурную стабильность и срок службы.

#### Запатентованный метод маркировки

Для решения этой задачи был разработан запатентованный метод окрашивания, при котором к широко используемым целлюлозным и латексным связующим в графитовых и кремниевых анодах прикрепляются отслеживаемые серебряные и бромные маркеры. После маркировки связующие становятся обнаружимыми благодаря характерным рентгеновским лучам (измеряемым с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии) или отражению высокоэнергетических электронов с поверхности образца (измеряемых с помощью энерго-селективной обратной рассеянной электронной визуализации). При наблюдении под электронным микроскопом эти сигналы позволяют получать детальные карты распределения элементов и структуры поверхности электрода, что обеспечивает значительно более точный анализ распределения связующего.

Методика применима как к стандартным графитовым электродам, так и к современным материалам, таким как кремний и SiOx, что делает её актуальной для современных и перспективных аккумуляторов.

#### Влияние распределения связующего на характеристики аккумулятора

Использование нового инструмента визуализации показало, что даже незначительные изменения в распределении связующего могут существенно влиять на эффективность зарядки и срок службы аккумулятора. В ходе испытаний корректировка этапов смешивания и сушки суспензии позволила снизить внутреннее ионное сопротивление экспериментальных электродов до 40%, что является значимым фактором для быстрой зарядки.

Были получены детальные изображения чрезвычайно тонких слоёв КМЦ, покрывающих частицы графита. Методика позволила обнаружить слои КМЦ толщиной всего 10 нм и визуализировать структуры, охватывающие четыре порядка величины на одном изображении. Было установлено, что изначально равномерное покрытие КМЦ может фрагментироваться в процессе обработки электрода, что может снижать характеристики и стабильность аккумулятора.

#### Перспективы применения

Междисциплинарная работа, включающая химию, электронную микроскопию, электрохимические испытания и моделирование, привела к созданию инновационного подхода к визуализации, который способствует пониманию ключевых поверхностных процессов, влияющих на долговечность и производительность аккумуляторов. Это открывает возможности для прогресса в широком спектре применений аккумуляторных технологий.

Исследование поддержано проектом Nextrode Faraday Institution и уже вызвало значительный интерес со стороны промышленности, включая крупных производителей аккумуляторов и электромобилей.