Для предотвращения коротких замыканий в твердотельных батареях предложили использовать постоянное сжатие

Научная группа из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC нашла эффективный метод предотвращения коротких замыканий в твердотельных батареях за счет управляемого механического сжатия. Применяемое давление не останавливает зарождение литиевых кристаллов, однако задает им безопасную траекторию роста, что позволило тестовым образцам выдержать тысячи рабочих циклов.

Возникновение дендритов остается ключевым барьером на пути к коммерциализации твердотельных накопителей энергии. В фазе зарядки ионы лития способны аккумулироваться в микродефектах керамического электролита, трансформируясь в игольчатые микроструктуры. Достижение противоположного электрода таким отростком неизбежно приводит к аварийному замыканию цепи.

В ходе научной работы специалисты сдавливали твердотельный электролит специальным фиксатором из сплава, обладающего эффектом памяти формы. При повышении температуры до 170 °C элемент сжимался, оказывая постоянное давление на испытуемый образец.

Ключевым открытием стало то, что под воздействием нагрузки дендриты не прекращали формироваться, но кардинально меняли вектор распространения. Вместо опасного движения сквозь толщу электролита они смещались в горизонтальной плоскости. Благодаря этому скопление металлического лития более не провоцировало сбоев в работе системы.

Детальный анализ внутренних процессов осуществлялся с помощью высокоточной рентгенографии. Технология доказала, что очагом зарождения дендритов служат внутренние пустоты, стыки кристаллов и прочие микродефекты керамики. Ранее в научном сообществе велись споры о том, формируются ли эти структуры исключительно на поверхности или способны зарождаться в глубине материала.

Особого внимания заслуживает долговечность модернизированных элементов. Несмотря на активное образование дендритов, батареи под механическим прессом демонстрировали бесперебойную работу на протяжении тысяч циклов эксплуатации.

В перспективе разработчики смогут проектировать аккумуляторы со встроенным постоянным напряжением твердого электролита. Параллельным вектором развития видится улучшение структуры материалов: минимизация внутренних изъянов и подавление электронной проводимости, провоцирующей осаждение лития.

Твердотельные накопители рассматриваются как наиболее вероятная замена классическим литий-ионным источникам питания. Теоретически они способны радикально увеличить энергоемкость устройств, одновременно повысив их безопасность. Тем не менее, помимо проблемы дендритов, инженерам предстоит добиться идеального сопряжения между твердым электролитом и электродными группами.

Ближайшей задачей исследователей станет детальное изучение контактных зон на стыках анода, катода и электролита.

Источник: iXBT