Открытие метода создания более компактных и безопасных аккумуляторов

Дендриты… Это странное слово, возможно, ничего не напоминает, но оно является бичом существования каждого разработчика аккумуляторов. Эти маленькие «шипы», образующиеся на электродах, могут привести к серьезным неисправностям и снижению эффективности. Исследователи из Массачусетского технологического института утверждают, что нашли инновационное решение этой проблемы.

Открытие, сделанное учеными Массачусетского технологического института, «может наконец-то открыть дверь к разработке нового типа перезаряжаемых литиевых батарей, которые легче, компактнее и безопаснее, чем существующие версии, и которые уже много лет ищут лаборатории по всему миру«, — говорится в заявлении института.

Ключом к тому, чтобы сделать батареи легче и меньше, является электролит. Между анодом и катодом (+ и — клеммы цепи) находится проводящее вещество, называемое электролитом, в жидком состоянии. Ученые хотели заменить эту жидкость более тонким и легким слоем твердого керамического материала. «Этот поиск был отмечен большой проблемой: дендриты«, — говорит MIT. Это был ключевой момент, который разрешили ученые.

Когда батарея подвергается нагрузке, может образоваться металлический налет, называемый гальваническим покрытием. В конце концов, формируются дендриты. Дендриты — это небольшие «шипы», образующиеся из отложений, которые могут создавать короткие замыкания. Они растут как ветви, отсюда и латинское название «дендриты», которое происходит от «ветви». Они не дают покоя исследователям, работающим над созданием батарей.

Новое исследование, опубликованное в журнале Joule, призвано решить эту проблему напрямую. Многие ищут решения. Некоторые инновации, например, используют температурный нагрев для предотвращения образования дендритов. На самом деле, исследователи Массачусетского технологического института совершили прорыв несколько случайно, как они объясняют, в ходе предыдущей работы. Они называют это «удивительным и неожиданным» открытием. «А именно, что твердый, прочный материал электролита, используемый для твердотельной батареи, может быть пронизан литием, который является очень мягким металлом, в процессе зарядки и разрядки батареи, поскольку ионы лития перемещаются между двумя сторонами«, — объясняет MIT.

Дендриты, механическая проблема

Затем они обнаружили, что причина образования дендритов — механическая. Движение ионов вперед-назад во время работы батареи приводит к изменению объема электродов. Твердый электролит, который должен оставаться в полном контакте с двумя электродами, между которыми он зажат, затем подвергается напряжению. «Чтобы осадить этот металл, должно произойти расширение объема, потому что вы добавляете новую массу«, — объясняет Йет-Минг Чианг, один из авторов исследования. «Таким образом, на стороне ячейки, где осаждается литий, происходит увеличение объема. И если присутствуют даже микроскопические дефекты, это создает давление на эти дефекты, что может привести к появлению трещин«. Таким образом, рассматриваемые трещины создают разломы, в которых могут развиваться дендриты.

Как только проблема была понята, нужно было найти решение. Чтобы противостоять этому механическому напряжению, они решили применить большее напряжение, но на этот раз рассчитанным и контролируемым способом. Чтобы лучше понять влияние механического напряжения, ученые использовали прозрачный электролит, что позволило им детально изучить происходящее внутри батареи. «Вы можете увидеть, что происходит, когда вы применяете сжатие к системе, и вы можете увидеть, ведут ли себя дендриты таким образом, который соответствует процессу коррозии или процессу разрушения«, — объясняет Коул Финчер, соавтор исследования.

Команда продемонстрировала, что они могут напрямую манипулировать ростом дендритов, просто прикладывая и ослабляя давление. Другими словами, они не останавливали рост дендритов. Но им удалось добиться того, чтобы их рост не вредил батарее, например, обеспечив, чтобы они оставались параллельными двум электродам, а не пересекали электролит.

В этом эксперименте ученые решили вызвать давление путем сгибания материалов. Однако они утверждают, что это механическое напряжение может оказываться более чем одним способом, что расширяет возможности создания батарей, в которых рост дендритов контролируется. Ученые не планируют самостоятельно коммерциализировать эту концепцию, но надеются, что она может быть использована в промышленности для производства более совершенных батарей. «Я бы сказал, что это понимание режимов отказа твердотельных батарей, которое, по нашему мнению, необходимо знать промышленности и пытаться использовать для разработки более совершенных продуктов«, — заключает Йет-Минг Чианг.