Дослідники з Інституту Макса Планка з'ясували, як саме літієві дендрити руйнують твердотільні батареї. Виявилося, що проблема не в електронних витоках, як вважалося раніше, а у внутрішньому тиску, який буквально розколює керамічний електроліт і спричиняє коротке замикання, пише Interesting Engineering.
Дивіться також Вчені буквально спіймали "блискавку в пляшці", щоб перетворити метан на чисте паливо
Про які твердотільні батареї мова?
Твердотільні акумулятори давно вважаються одним із головних кандидатів на заміну звичних літій-іонних батарей. Вони обіцяють вищу щільність енергії, довший термін служби та значно кращу безпеку. Головна відмінність полягає в тому, що замість легкозаймистого рідкого електроліту в них використовується твердий керамічний електроліт.
Саме це рішення має зробити батареї надійнішими, однак на практиці виникла серйозна проблема, яка вже роками гальмує масове виробництво – утворення літієвих дендритів.
Дендрити
Мікроскопічні структури з літію, які з'являються під час заряджання. Вони ростуть від електрода всередину батареї та можуть пробивати твердий електроліт. У результаті виникає внутрішнє коротке замикання, що робить акумулятор непридатним або навіть небезпечним.
Довгий час серед науковців існувала популярна версія, що перед вістрям дендрита відбувається витік електронів. Вважалося, що саме це запускає накопичення нового літію всередині керамічного шару та поступово руйнує його структуру.
Однак нове дослідження команди з Інституту Макса Планка зі сталих матеріалів, опубліковане в журналі Nature, показало іншу картину.
Що знайшли науковці?
Щоб детально вивчити процес руйнування, науковці аналізували зразки батарей у вакуумі та за умов кріогенних температур. Такий підхід дозволив уникнути впливу кисню, вологи та навіть самого мікроскопічного променя, які могли б спотворити результати.
Під час дослідження вчені перевірили літій, який опинився всередині тріщин, і не знайшли доказів того, що метал накопичувався попереду дендрита. Це фактично послабило одну з головних теорій про причини короткого замикання.
Натомість дослідники дійшли висновку, що головним винуватцем є гідростатичний тиск усередині самого дендрита. Попри те, що літій є дуже м'яким металом, цей внутрішній тиск створює настільки сильне розтягувальне навантаження, що жорсткий керамічний електроліт просто тріскається.
Керівник дослідження Ювей Чжан (Dr. Yuwei Zhang) пояснив це простою аналогією: хоча літій м'який, мов желейна цукерка, він здатен проникати крізь кераміку так само, як безперервний струмінь води може поступово пробити камінь.
Саме накопичення тиску, зрештою, призводить до крихкого руйнування електроліту.
Чому це корисна знахідка?
Це відкриття може суттєво вплинути на розробку нових твердотільних батарей. Тепер виробники зможуть точніше працювати над захистом елементів живлення від таких пошкоджень.
Серед можливих рішень уже розглядаються міцніші тверді електроліти, здатні краще витримувати навантаження, мікроскопічні порожнини для перенаправлення росту дендритів, а також спеціальні захисні покриття на літієвих електродах, які зменшують саме утворення дендритів під час заряджання.
Якщо ці підходи виявляться ефективними, це може прискорити появу смартфонів із довшим часом роботи, безпечніших акумуляторів та електромобілів із більшим запасом ходу.