Международная группа исследователей впервые детально проследила, как внутри литий-ионных аккумуляторов формируются микроскопические структуры, которые приводят к коротким замыканиям и гибели батарей. Результаты опубликованы в журнале Science.
Что такое дендриты?
Это крошечные металлические иглы из лития, которые растут на отрицательном электроде (аноде) батареи. Их толщина — примерно в 100 раз меньше человеческого волоса.
Проблема в том, что они могут прорастать через электролит к положительному электроду (катоду). Если такая игла достигает цели, происходит короткое замыкание. Даже если не замыкает, дендриты постепенно разрушают батарею изнутри.
Почему их раньше не видели?
Дендриты формируются внутри герметичного корпуса аккумулятора на очень малых масштабах. Кроме того, литий настолько химически активен, что реагирует даже с микроскопическими следами воздуха.
Чтобы обойти эту проблему, учёные разработали специальные герметичные установки для извлечения и анализа образцов без контакта с атмосферой.
Что оказалось неожиданным?
Все думали, что литий — мягкий и пластичный металл, значит, и дендриты должны быть такими же. Но эксперименты показали обратное:
- Дендриты оказались жёсткими и хрупкими.
- Они ломаются быстрее, чем изгибаются.
Компьютерное моделирование объяснило этот эффект: по мере роста дендрит покрывается тонкой оболочкой из продуктов реакции между литием и электролитом. Эта оболочка делает иглу жёсткой и позволяет ей прокалывать внутренние перегородки аккумулятора.
Как это убивает батарею?
Когда дендриты ломаются, они оставляют внутри фрагменты так называемого «мёртвого лития». Этот литий больше не участвует в химических реакциях и просто лежит мёртвым грузом. Со временем его накапливается всё больше, и ёмкость батареи необратимо падает.
Вывод: учёные наконец-то увидели врага в лицо. Понимание того, как растут и разрушаются дендриты, поможет создавать батареи, в которых эти иглы либо не образуются, либо не могут навредить. А значит — аккумуляторы станут безопаснее и долговечнее.