Механическое напряжение дендритов лития приводит к разрушению керамических электролитов. Исследователи из Дюссельдорфа опровергают конкурирующую теорию.
Твердотельные аккумуляторы считаются многообещающими преемниками сегодняшних литий-ионных аккумуляторов, например, используемых в смартфонах и электромобилях. Они могут хранить больше энергии в меньшем пространстве, легче и считаются более безопасными.
Подробности читайте после объявления
Причина: вместо жидкого, легковоспламеняющегося вещества внутри они используют твердый материал, который позволяет току течь между двумя полюсами – так называемый электролит. Этот твердый электролит не может вытечь или загореться.
Но именно это твердое вещество годами доставляло исследователям головную боль. При зарядке на одном из полюсов (аноде) образуются крошечные древовидные ветви лития, так называемые дендриты.
Они медленно прорастают сквозь керамический материал и в конечном итоге могут вызвать короткое замыкание, в результате чего аккумулятор станет непригодным для использования.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда из Института устойчивых материалов Макса Планка (MPI-SusMat) в Дюссельдорфе выяснила, что именно происходит во время этого процесса.
До сих пор существовало два конкурирующих объяснения: либо растущая литиевая ветвь так сильно прижимается к керамике, что она разбивается, как стекло. Или электроны вырываются из крошечных соединений материала, которые «выманивают» дополнительный литий из электролита и тем самым способствуют короткому замыканию.
Команда под руководством первого автора Ювэй Чжана теперь смогла опровергнуть вторую теорию.
Подробности читайте после объявления
Мягкий металл проникает в твердую керамику
Для своих экспериментов исследователи использовали специальную керамику с аббревиатурой LLZTO, которую они измельчили до толщины примерно 0,15 миллиметра.
Чтобы ни воздух, влага, ни электронный луч их микроскопа не могли исказить измерения, они исследовали образцы в безвоздушной камере при экстремально низких температурах. Даже транспортировка между устройствами осуществлялась в специальных защитных контейнерах.
Под микроскопом стало ясно, что на кончиках литиевых ветвей не накопился дополнительный литий — явный признак того, что теория убегающих электронов не может быть верной.
Вместо этого ученые обнаружили минимальные искривления кристаллической решетки керамики вблизи контактной поверхности. Эти изгибы показывают, что материал находится под сильным давлением со всех сторон.
Когда они оценили около 100 кристаллических зерен, они также обнаружили, что 80 процентов трещин проходят по границам между отдельными кристаллическими зернами, и только 20 процентов проходят непосредственно через кристаллы.
«Мягкий металлический литий может проникать сквозь жесткий керамический электролит – как постоянный поток воды, проникающий в скалу», – объяснил Чжан согласно пресс-релизу MPI-SusMat. «Мы подсчитали, что гидростатическое напряжение в дендрите в конечном итоге приводит к хрупкому разрушению твердого электролита».
Три способа сделать аккумулятор более надежным
Исследователи из Дюссельдорфа не останавливаются на диагнозе, а предлагают три возможных решения:
- Во-первых, производители могли бы разработать более прочные керамические материалы, которые лучше выдерживают давление.
- Во-вторых, в электролит можно намеренно встроить крошечные полости, которые действуют как небольшие обходные пути и отвлекают рост литиевых ветвей от прямого пути.
- И в-третьих, литиевый анод можно было бы снабдить защитным слоем, чтобы во время зарядки даже не образовывались такие узлы.
Пока неясно, будут ли эти подходы работать и в массовом производстве. В ответ на сообщение The Register команда Макса Планка отказалась комментировать конкретный график дальнейших испытаний.
Исследование Массачусетского технологического института дополняет картину
Всего несколькими неделями ранее команда из знаменитого Массачусетского технологического института (MIT) также опубликовала в журнале Nature результаты, которые дополняют картину.
Группа профессора Йет-Минг Чанга сделала удивительное наблюдение: более быстрорастущие литиевые ветви оказывают меньшее давление на материал, хотя на самом деле можно было бы ожидать обратного.
Используя микроскоп высокого разрешения, который делает видимыми отдельные атомы, исследователи Массачусетского технологического института обнаружили доказательства того, что сам ток делает керамику еще более хрупкой.
Ведущий автор Коул Финчер подвел итоги The Register:
«В нашей предыдущей работе в Джоуле мы показали, что рост дендритов — это процесс механического разрушения. В нашей статье в Nature мы показываем, что электрохимия ослабляет твердый электролит и поддерживает этот процесс разрушения».
Механическое давление и химические процессы работают вместе — эти два исследования дополняют друг друга.
Обе работы представляют собой важные строительные блоки для производителей автомобилей и компаний, производящих электронику, которые полагаются на твердотельные батареи. Однако, вероятно, потребуется еще несколько лет исследований, прежде чем такие батареи действительно пойдут в серийное производство.
