Международная группа исследователей из США и Сингапура установила механические свойства наноразмерных дендритов в литий-ионных аккумуляторах. Долгое время эти кристаллические образования, провоцирующие короткое замыкание и возгорание элементов питания, считались мягкими. Новые данные свидетельствуют об их высокой хрупкости и жесткости, что открывает пути к созданию более безопасных накопителей энергии.
Дендриты представляют собой металлические структуры, толщина которых примерно в сто раз меньше человеческого волоса. Они формируются на отрицательном электроде батареи в процессе зарядки. В идеальных условиях литий должен равномерно распределяться по поверхности анода, однако на практике металл скапливается в виде иглообразных наростов. Постепенно они пробивают сепаратор, разделяющий катод и анод. Контакт между электродами приводит к короткому замыканию – процессу, который вызывает перегрев, выход батареи из строя или химическую реакцию с последующим воспламенением.
Фрагментация дендритов также ведет к деградации аккумулятора. Отламываясь от основной структуры, они теряют электрический контакт с анодом и превращаются в так называемый «мертвый литий». Это вызывает постепенное снижение емкости батареи, что до сих пор оставалось одним из главных барьеров для коммерциализации аккумуляторов с литий-металлическим анодом. На данный момент в индустрии не существует практических методов очистки работающих элементов питания от подобных образований.
Для изучения характеристик дендритов специалисты Университета Райса, Технологического института Джорджии, Хьюстонского университета, Технологического института Нью-Джерси и Наньянского технологического университета создали специализированные изолированные платформы. Поскольку литий активно реагирует с кислородом, сбор образцов из действующих батарей проводился в герметичных условиях. Анализ осуществлялся с помощью криоэлектронной микроскопии высокого разрешения и методов механического моделирования.
Результаты экспериментов, опубликованные в журнале Science, опровергли устоявшееся в научном сообществе мнение о пластичности дендритов. Выяснилось, что в процессе роста вокруг литиевых игл формируется твердый электролитный слой. Эта оболочка придает изначально мягкому металлу высокую прочность и хрупкость при механическом воздействии. Под нагрузкой такие структуры не гнутся, а ломаются, ускоряя образование изолированных скоплений лития внутри ячейки.
Понимание физики этого явления предоставляет инженерам новые инструменты для предотвращения деградации аккумуляторов. Исследователи предполагают, что снижение хрупкости дендритов возможно за счет использования анодов из литиевых сплавов или разработки технологий, блокирующих образование укрепляющего электролитного слоя. В перспективе это позволит существенно увеличить срок службы источников питания и повысить их устойчивость к внутренним повреждениям.