Вчені з'ясували, чому в літієвих акумуляторах з'являються небезпечні голки з літію

Вчені вперше змогли детально спостерігати, як усередині літій-іонних акумуляторів формуються так звані літієві дендрити — мікроскопічні металеві структури, які можуть призводити до пошкодження батареї та короткого замикання. Нові результати дослідження пояснюють одну з ключових причин деградації акумуляторів і можуть допомогти у створенні більш безпечних систем зберігання енергії.

Що таке літієві дендрити

Літієві дендрити — це тонкі голкоподібні утворення з металевого літію, які з’являються на аноді акумулятора під час циклів заряджання. Анод є негативним електродом батареї, де відбувається накопичення літію.

У процесі росту дендрити можуть подовжуватися і з часом пробивати сепаратор — внутрішню ізоляційну мембрану, що відокремлює анод від катода. Якщо така структура досягає катода, всередині батареї виникає коротке замикання. Це може призвести до пошкодження акумулятора, втрати ємності та навіть до перегріву або займання.

Попри те, що дендрити досліджують уже багато років, ученим було складно спостерігати їх формування безпосередньо всередині працюючого акумулятора.

Чому їх важко досліджувати

Основна складність полягає в тому, що дендрити утворюються на нанорівні та розвиваються всередині герметично закритих батарей. Крім того, металевий літій є дуже реакційно активним і швидко вступає в реакцію з повітрям.

Щоб дослідити ці структури, науковці з університетів США та Сінгапуру створили спеціальні експериментальні платформи. Вони дозволили ізолювати дендрити, отримані з працюючих акумуляторів, і досліджувати їх у контрольованому середовищі без контакту з киснем.

Для аналізу використовувалася високоточна електронна мікроскопія. Завдяки цьому дослідники змогли спостерігати, як окремі дендрити деформуються під навантаженням і як змінюється їхня структура під час росту.

Дуже маленькі, але небезпечні структури

Літієві дендрити надзвичайно малі — приблизно у 100 разів тонші за людську волосину. Вони ростуть на поверхні анода у вигляді мікроскопічних гіллястих структур під час заряджання батареї.

Якщо такі утворення відламуються, вони можуть перетворюватися на так званий «мертвий літій». Це ізольовані частинки металу, які більше не беруть участі в електрохімічних реакціях. У результаті акумулятор поступово втрачає свою ємність і ефективність.

Саме формування дендритів вважається однією з головних перешкод для розвитку акумуляторів нового покоління.

Не такі м’які, як вважалося раніше

Тривалий час вважалося, що дендрити є м’якими та пластичними, оскільки металевий літій легко деформується.

Однак нові експерименти показали зовсім інший результат. Під час росту дендрити поводяться як крихкі структури, які можуть ламатися під механічним навантаженням.

Дослідники порівнюють їхню поведінку не з пластиліном, як припускалося раніше, а радше з сухими спагеті, які легко ламаються під час згинання.

Чому дендрити стають жорсткими

У процесі росту поверхня дендритів покривається тонким шаром, відомим як SEI (Solid Electrolyte Interphase) — твердий електролітний інтерфейс.

Цей шар утворюється внаслідок хімічних реакцій між літієм та електролітом. Він робить дендрити жорсткішими і надає їм форму гострих голок.

Саме завдяки цій жорсткості дендрити можуть пробивати сепаратори та інші внутрішні елементи батареї, що підвищує ризик внутрішніх коротких замикань.

Чому це важливо для майбутніх акумуляторів

Коли дендрити ламаються, їхні фрагменти накопичуються всередині батареї у вигляді «мертвого літію». Це поступово знижує ефективність акумулятора та скорочує термін його служби.

На сьогодні не існує практичного способу видалити такі структури з уже працюючого акумулятора.

Проте нове розуміння механіки росту дендритів може допомогти інженерам створити безпечніші батареї. Серед можливих рішень розглядаються:

• зміна матеріалів анода

• використання літієвих сплавів

• удосконалення складу електролітів

• оптимізація режимів заряджання акумуляторів

Перспективи для літій-металевих акумуляторів

Отримані результати можуть відіграти важливу роль у розвитку літій-металевих акумуляторів — технології, яку вважають наступним етапом розвитку сучасних батарей.

Такі акумулятори мають потенціал забезпечувати значно вищу енергетичну щільність порівняно з традиційними літій-іонними батареями. Однак проблема утворення дендритів досі залишається одним із ключових обмежень їх масового впровадження.

Нове дослідження допомагає краще зрозуміти процеси, що відбуваються всередині акумуляторів, і може наблизити створення більш надійних та безпечних систем зберігання енергії.

Результати дослідження були опубліковані у науковому журналі Science.