Инженеры нашли неожиданный способ справиться с одной из главных головных болей твердотельных аккумуляторов — дендритами. Решение оказалось почти бытовым: достаточно сжать электролит.
В обычных литий-ионных батареях используется жидкий электролит, но в твердотельных его заменяют керамикой. Это сулит большую плотность энергии и повышенную надежность. Однако на практике возникает проблема: во время зарядки ионы лития проходят через керамику к отрицательному электроду, часть из них застревает в микроскопических дефектах материала и превращается в металлический литий. Так вырастают игольчатые структуры — дендриты.
Если они добираются до противоположного электрода, батарея замыкается. Ученые давно спорят, где именно зарождаются эти «иглы» — на поверхности электролита или в его толще.
Авторы работы поместили твердый электролит в кольцо из сплава с памятью формы и нагрели его до 170 °C. Кольцо сжалось, создав постоянное давление. Дендриты никуда не исчезли, но изменили траекторию: вместо того чтобы расти вертикально, по направлению к электродам, они начали распространяться горизонтально, внутри самого электролита. И это оказалось критичным — горизонтальные дендриты не достигали контактов, и батарея продолжала работать без короткого замыкания.
Чтобы подтвердить происходящее, ученые заглянули внутрь с помощью рентгена на синхротроне SLAC. Они увидели, что дендриты действительно рождаются в дефектах — порах и границах зерен керамики. Это прямой ответ на давний вопрос: да, очаг находится внутри материала, а не снаружи.
Авторы работы отмечают, что им удалось создать небывалое количество дендритов, но ни один из них не привел к замыканию. Более того, сжатые элементы выдержали тысячи циклов зарядки, несмотря на обилие внутренних дендритов. Значит, на практике можно либо проектировать батареи так, чтобы электролит постоянно находился под давлением, либо делать керамику с минимальным количеством дефектов и низкой электронной проводимостью, чтобы литию просто негде было зацепиться.
Твердотельные аккумуляторы обещают вдвое большую плотность энергии, чем современные, и повышенную безопасность. Но именно дендриты до сих пор мешали реализовать эти преимущества в коммерческих образцах.
Теперь группа планирует изучить стыки между катодом, анодом и электролитом — там тоже есть проблема контакта. Но нынешний результат уже показывает, что путь к практичным накопителям лежит через механическое управление. По словам руководителя проекта, эти выводы приближают решение задачи масштабного хранения энергии.
Читайте также:
Создан литий-металлический аккумулятор с плотностью энергии более 600 Вт·ч/кг
Сплавы ОДК для 3D-печати выдерживают 1000 °C и продлевают ресурс авиадвигателей