Исследователям удалось выявить дефект, рассмотрев химические процессы в батареях на уровне атомов
Литий-ионные аккумуляторы установлены в большинстве современных гаджетов. Благодаря им мы можем вести современный образ жизни: часами болтать по мобильному телефону, смотреть нескончаемые сериалы на планшете и безвылазно торчать в интернете. Однако у литий-ионных аккумуляторов есть одно неприятное свойство - они имеют склонность к самовозгоранию. Эта дурная черта их «характера» в прошлом году обошлась корпорации Самсунг, как минимум в 5,3 миллиарда долларов. В эту сумму корейская компания оценила убытки, связанные с отзывом с рынка проблемного смартфона Galaxy Note 7. Принять это решение руководители Самсунг были вынуждены из-за многочисленных инцидентов, связанных со взрывами и возгораниями аккумуляторов новой модели.
Но почему батареи взрываются? Чтобы найти ответ на этот вопрос команда исследователей из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC провела исследование с использованием метода криоэлектронной микроскопии. Он позволяет рассмотреть образец с невероятным разрешением - буквально на уровне отдельных атомов. В 2017 году Нобелевская премия по химии была вручена Жаку Дубоше, Иоахиму Франку и Ричарду Хэндерсону как раз за открытия в области криоэлектронной микроскопии.
Ученые из Стэнфорда с помощью этого уникального инструмента хотели проверить гипотезу, согласно которой во взрыве литий-ионных аккумуляторов виноваты дендриты. Что такое дендриты? Для начала вспомним школьные уроки физики. Литий-ионные аккумуляторы состоят из из двух электродов: анода (плюс) и катода (минус), разделенных пористым полимерным сепаратором. Переносчиком заряда являются ионы лития. Когда через аккумулятор проходит избыточный электрический заряд не все ионы лития успевают встроиться в кристал анода. Тогда «беспризорные» ионы лития образуют дендриты - микроскопические структуры, которые начинают «прорастать» через сепаратор в результате химических реакций. Это и приводит к короткому замыканию.
В ходе исследований ученые замораживали батареи до очень низких температур в различных режимах зарядки. В результате на атомном уровне удалось рассмотреть процесс роста литиевых кристаллов через сепаратор и подтвердить «виновность» дендритов во взрывах и воспламенении гаджетов.
Результаты работы были изложены в статье «Атомная структура чувствительности материалов батарей и интерфейсов, выявленная криоэлектронной микроскопией», опубликованной в научном журнале Science Journal.
По словам ведущего автора работы, профессора Йи Цуи (Yi Cu) исследования в этом направлении приведут в будущем к созданию более безопасных батарей. Это хорошая новость не только для пользователей смартфонов, планшетов и ноутбуков. Литий-ионные батареи используются в электромобилях Tesla, которые выпскает компания Илона Маска. По прогнозам уже к 2020 году от 10 до 20 процентов автопарка в развитых странах будут составлять машины на электрическом ходу. Появление более мощных и безопасных аккумуляторов ускорит электрическую революцию.