Исследователи из Института Макса Планка выяснили, как именно литиевые дендриты разрушают твердотельные батареи. Оказалось, что проблема не в электронных утечках, как считалось ранее, а во внутреннем давлении, которое буквально раскалывает керамический электролит и вызывает короткое замыкание, пишет Интересная инженерия.
Смотрите также Ученые буквально поймали "молнию в бутылке", чтобы превратить метан в чистое топливо
О каких твердотельных батареях речь?
Твердотельные аккумуляторы давно считаются одним из главных кандидатов на замену привычных литий-ионных батарей. Они обещают более высокую плотность энергии, более долгий срок службы и значительно лучшую безопасность. Главное отличие заключается в том, что вместо легковоспламеняющегося жидкого электролита в них используется твердый керамический электролит.
Именно это решение должно сделать батареи надежными, однако на практике возникла серьезная проблема, которая уже годами тормозит массовое производство – образования литиевых дендритов.
Дендриты
Микроскопические структуры из лития, которые появляются во время зарядки. Они растут от электрода внутрь батареи и могут пробивать твердый электролит. В результате возникает внутреннее короткое замыкание, что делает аккумулятор непригодным или даже опасным.
Долгое время среди ученых существовала популярная версия, что перед острием дендрита происходит утечка электронов. Считалось, что именно это запускает накопление нового лития внутри керамического слоя и постепенно разрушает его структуру.
Однако новое исследование команды из Института Макса Планка по устойчивым материалам, опубликовано в журнале Nature, показало другую картину.
Что нашли ученые?
Чтобы детально изучить процесс разрушения, ученые анализировали образцы батарей в вакууме и в условиях криогенных температур. Такой подход позволил избежать влияния кислорода, влаги и даже самого микроскопического луча, которые могли бы исказить результаты.
Во время исследования ученые проверили литий, который оказался внутри трещин, и не нашли доказательств того, что металл накапливался впереди дендрита. Это фактически ослабило одну из главных теорий о причинах короткого замыкания.
Вместо этого исследователи пришли к выводу, что главным виновником является гидростатическое давление внутри самого дендрита. Несмотря на то, что литий является очень мягким металлом, это внутреннее давление создает настолько сильную растягивающую нагрузку, что жесткий керамический электролит просто трескается.
Руководитель исследования Ювей Чжан (Dr. Yuwei Zhang) объяснил это простой аналогией: хотя литий мягкий, как желейная конфета, он способен проникать сквозь керамику так же, как непрерывная струя воды может постепенно пробить камень.
Именно накопление давления, в конце концов, приводит к хрупкому разрушению электролита.
Почему это полезная находка?
Это открытие может существенно повлиять на разработку новых твердотельных батарей. Теперь производители смогут точнее работать над защитой элементов питания от таких повреждений.
Среди возможных решений уже рассматриваются более прочные твердые электролиты, способные лучше выдерживать нагрузки, микроскопические полости для перенаправления роста дендритов, а также специальные защитные покрытия на литиевых электродах, которые уменьшают само образование дендритов во время зарядки.
Если эти подходы окажутся эффективными, это может ускорить появление смартфонов с более длительным временем работы, безопасных аккумуляторов и электромобилей с большим запасом хода.