Литий-ионные аккумуляторы — основа современной портативной электроники и электромобилей. Однако их надёжность и срок службы ограничены образованием микроскопических металлических «шипов» — дендритов. Эти структуры формируются на аноде в процессе зарядки и могут прорастать сквозь электролит, достигая катода.
Если дендрит пробивает сепаратор — тонкую мембрану, разделяющую электроды, — возникает внутреннее короткое замыкание. Это может привести к выходу батареи из строя, потере ёмкости и даже возгоранию. Кроме того, отломившиеся дендриты превращаются в «мёртвый литий», что необратимо снижает ресурс аккумулятора.
До сих пор считалось, что литиевые дендриты мягкие и пластичные, однако новое исследование международной группы учёных из США и Сингапура опровергло этот предположение. С помощью уникальных экспериментов исследователи показали: дендриты обладают высокой жёсткостью и ломкостью, а их поверхность покрыта твёрдым слоем электролита (SEI), что делает их похожими на иглы.
Впервые удалось наблюдать, как отдельные дендриты деформируются и разрушаются под действием механических нагрузок. Оказалось, что они не гнутся, а ломаются. Это объясняет, почему дендриты легко прокалывают защитные слои и почему их практически невозможно удалить из батареи.
Авторы работы отмечают: образование дендритов — одна из главных проблем для коммерциализации литий-металлических аккумуляторов нового поколения. Пока что не существует эффективных методов борьбы с ними, но понимание механики их роста и разрушения открывает путь к созданию новых материалов и конструкций анодов, например, на основе литиевых сплавов.
Результаты исследования важны не только для повышения безопасности и долговечности батарей, но и для развития всей индустрии хранения энергии. Каждый новый шаг в понимании микромеханики аккумуляторов — вклад в будущее транспорта, электроники и возобновляемой энергетики.