Учёные выяснили, почему в литиевых аккумуляторах появляются опасные «иглы» из лития

Учёные смогли впервые подробно наблюдать, как внутри литий-ионных аккумуляторов формируются так называемые литиевые дендриты — микроскопические металлические структуры, которые могут приводить к повреждению батареи и коротким замыканиям. Новые результаты исследования помогают понять одну из главных причин деградации аккумуляторов и могут ускорить разработку более безопасных источников энергии.

Что такое литиевые дендриты

Литиевые дендриты — это тонкие игольчатые образования из металла, которые формируются на аноде аккумулятора во время циклов зарядки. Анод является отрицательным электродом батареи, где происходит накопление лития.

По мере роста дендриты могут удлиняться и в определённый момент пробивать сепаратор — внутреннюю изоляционную мембрану, разделяющую анод и катод. Если игольчатая структура достигает катода, внутри аккумулятора возникает короткое замыкание. Это может привести к повреждению батареи, снижению её ёмкости и даже к возгоранию.

Несмотря на то что дендриты изучаются уже много лет, учёным долгое время было сложно наблюдать их развитие внутри работающей батареи.

Почему их трудно исследовать

Основная сложность заключается в том, что дендриты формируются на наномасштабе и развиваются внутри герметично закрытых аккумуляторов. Кроме того, литий является крайне реакционноспособным металлом и быстро реагирует с воздухом.

Чтобы изучить такие структуры, исследователи из университетов США и Сингапура разработали специальные экспериментальные платформы. Они позволили извлекать образцы дендритов из работающих аккумуляторов и исследовать их в изолированной среде без контакта с кислородом.

Для анализа учёные использовали высокоточное электронное микроскопирование. Это позволило наблюдать, как отдельные дендриты реагируют на механические нагрузки и как меняется их структура во время роста.

Очень маленькие, но опасные структуры

Литиевые дендриты чрезвычайно малы — примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса. Они растут на поверхности анода в виде микроскопических ветвящихся структур во время зарядки батареи.

Если такие образования отламываются, они могут превращаться в так называемый «мёртвый литий». Это изолированные частицы металла, которые больше не участвуют в электрохимических реакциях. В результате аккумулятор постепенно теряет свою ёмкость и эффективность.

Именно образование дендритов считается одним из главных препятствий для развития аккумуляторов нового поколения.

Не такие мягкие, как считалось раньше

Долгое время считалось, что дендриты являются мягкими и пластичными, поскольку металлический литий относительно легко деформируется.

Однако новые эксперименты показали противоположный результат. Оказалось, что во время роста дендриты ведут себя как хрупкие структуры, которые могут ломаться под нагрузкой.

Учёные сравнили их поведение не с пластилином, как предполагалось ранее, а скорее с сухими спагетти, которые легко ломаются при изгибе.

Почему дендриты становятся жёсткими

Во время роста поверхность дендритов покрывается тонким слоем, известным как SEI (Solid Electrolyte Interphase) — твёрдый электролитический интерфейс.

Этот слой образуется из продуктов химических реакций между литием и электролитом. Он делает дендриты более жёсткими и придаёт им форму острых игл.

Именно благодаря этой жёсткости дендриты способны пробивать сепараторы и другие внутренние компоненты батареи, что повышает риск внутренних коротких замыканий.

Почему это важно для будущих аккумуляторов

Когда дендриты ломаются, их фрагменты накапливаются внутри батареи в виде «мёртвого лития». Это постепенно снижает эффективность аккумулятора и уменьшает его срок службы.

На сегодняшний день не существует практического способа удалить такие образования из уже работающего аккумулятора.

Однако новое понимание механики роста дендритов может помочь инженерам разработать более безопасные батареи. Среди возможных решений рассматриваются:

• изменение материалов анода

• использование литиевых сплавов

• улучшение состава электролитов

• оптимизация условий зарядки аккумуляторов

Перспективы для литий-металлических батарей

Полученные результаты могут сыграть важную роль в развитии литий-металлических аккумуляторов — технологии, которая считается следующим этапом эволюции батарей.

Такие батареи способны обеспечивать значительно более высокую энергетическую плотность по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами. Однако проблема образования дендритов до сих пор остаётся одним из ключевых ограничений их массового применения.

Новое исследование помогает лучше понять процессы внутри батарей и может приблизить создание более надёжных и безопасных систем хранения энергии.

Результаты работы были опубликованы в научном журнале Science.