Литиевые дендриты в аккумуляторах оказались хрупкими и острыми, а не мягкими

Литий-ионные накопители энергии составляют технологический базис современной портативной техники и электротранспорта. Тем не менее, их надежность и долговечность существенно ограничены возникновением дендритов — микроскопических металлических новообразований. Эти структуры зарождаются на аноде в процессе зарядки и способны прорастать сквозь слой электролита, устремляясь к катоду.

Нарушение целостности сепаратора — тончайшей полимерной мембраны — под воздействием дендритов провоцирует внутреннее короткое замыкание. Это не только выводит ячейку из строя и снижает её энергоемкость, но и создает серьезную угрозу возгорания. Кроме того, фрагментация этих «шипов» приводит к образованию «мертвого лития», что влечет за собой необратимую деградацию аккумулятора.

До недавнего времени в научном сообществе превалировало мнение о пластичности и мягкости литиевых дендритов. Однако совместное исследование специалистов из США и Сингапура опровергло данную концепцию. В ходе уникальных испытаний было установлено, что дендриты отличаются высокой жесткостью и хрупкостью, а наличие на их поверхности твердой фазы из продуктов распада электролита (SEI) придает им свойства, сопоставимые с остроконечными иглами.

Источник: Lou Group / Университет Райса

Впервые ученым удалось детально пронаблюдать процесс деформации и разрушения отдельных дендритов под воздействием механического напряжения. Оказалось, что структуры склонны к излому, а не к изгибу. Это открытие объясняет, почему дендриты столь легко преодолевают защитные барьеры и почему их практически невозможно нейтрализовать внутри работающей системы.

Исследователи подчеркивают: бесконтрольное формирование дендритов остается ключевым препятствием для массового внедрения литий-металлических батарей нового типа. Несмотря на отсутствие готовых решений по их предотвращению, глубокое понимание механики роста и разрушения этих образований открывает перспективы для создания инновационных материалов и архитектур анодов, например, на основе литиевых сплавов.

Результаты данной работы имеют фундаментальное значение для обеспечения безопасности и повышения ресурса систем хранения энергии. Прогресс в изучении микромеханических процессов внутри аккумуляторов закладывает фундамент для развития экологичного транспорта, электроники и сектора возобновляемой энергетики.

Источник: iXBT