Литий-ионные батареи питают почти всю современную электронику — от смартфонов и ноутбуков до электромобилей. Но у этой технологии есть давняя и хорошо известная проблема: иногда внутри аккумуляторов вырастают микроскопические структуры, способные вывести батарею из строя или даже вызвать пожар.
Недавно международная группа ученых смогла наконец подробно изучить механические свойства этих загадочных образований. Работа, опубликованная в журнале Science, объясняет, почему они возникают и как именно повреждают батареи.
Что такое литиевые дендриты
Эти структуры называются дендритами — тонкими металлическими «иглами», которые формируются внутри аккумулятора во время зарядки.
По размерам они невероятно малы:
их толщина примерно в 100 раз меньше человеческого волоса.
В нормальной ситуации литий во время зарядки должен равномерно распределяться по поверхности анода — отрицательного электрода батареи. Однако иногда металл начинает осаждаться неравномерно и формирует игольчатые кристаллы, постепенно растущие внутрь аккумулятора.
Со временем такие структуры могут пробить сепаратор — тонкую перегородку, разделяющую анод и катод.
Когда электроды соприкасаются, возникает короткое замыкание.
Последствия могут быть разными:
- снижение ёмкости аккумулятора
- разрушение батареи
- перегрев
- в редких случаях — возгорание или взрыв
Почему дендриты так опасны
Как объясняет Син Лю (Xing Liu), доцент кафедры механической и промышленной инженерии Технологического института Нью-Джерси, дендриты давно считаются одним из главных препятствий для развития более совершенных аккумуляторов.
«Во время работы батареи дендриты могут формироваться, ломаться и электрически отделяться от анода, превращаясь в так называемый “мёртвый литий”», — объясняет исследователь.
Этот «мёртвый литий» уже не участвует в электрохимических реакциях. Фактически это бесполезный материал, который остаётся внутри аккумулятора и постепенно уменьшает его ёмкость.
Кроме того, если дендриты пробивают сепаратор, возникает риск внутреннего короткого замыкания. По словам Лю, сегодня не существует практического способа удалить дендриты из уже работающей батареи.
Как ученые смогли их изучить
Несмотря на десятилетия исследований, физические свойства дендритов долго оставались загадкой. Международная команда учёных провела серию экспериментов, чтобы впервые измерить их механическую прочность.
Задача оказалась крайне сложной. Литий — чрезвычайно реактивный металл: при контакте с кислородом он быстро изменяет свою химическую структуру. Поэтому исследователи создали герметичные лабораторные камеры, где могли работать с образцами, извлечёнными из реальных батарей. Для анализа использовали высокоточное электронное микроскопирование и специальные методы механических испытаний.
Неожиданный результат
До эксперимента ученые предполагали, что дендриты будут вести себя так же, как и обычный литий. В больших объёмах этот металл мягкий и пластичный — его иногда сравнивают по консистенции с пластилином. Но результаты оказались неожиданными.
«Долгое время считалось, что литиевые дендриты мягкие и пластичные, словно пластилин. Но наши наблюдения показали, что они ведут себя скорее как сухие спагетти», — говорит Син Лю.
То есть они жёсткие и хрупкие. При нагрузке такие структуры не деформируются, а ломаются.
Почему дендриты становятся жёсткими
Причина оказалась в особом химическом слое, который образуется вокруг дендритов.
Этот слой называется SEI (solid electrolyte interphase) — твёрдая межфазная оболочка между электролитом и электродом.
После формирования дендрита SEI-слой:
- укрепляет структуру
- превращает её в жёсткую иглу
- позволяет ей прокалывать внутренние компоненты батареи
Но при механическом напряжении такие иглы могут ломаться, образуя уже упомянутый «мёртвый литий».
Что это значит для будущих аккумуляторов
Понимание физики дендритов может помочь инженерам разработать новые способы борьбы с ними.
Один из возможных подходов — использование литиевых сплавов в анодах, которые могут снизить склонность дендритов к разрушению.
Другой путь — изменение условий формирования слоя SEI, чтобы предотвратить превращение дендритов в жёсткие иглы.
Фактически исследование открывает новые направления в разработке литий-металлических батарей — следующего поколения аккумуляторов с гораздо большей энергоёмкостью.
Хотя учёные только начинают полностью понимать поведение дендритов, новое исследование стало важным шагом вперёд. Теперь исследователи надеются найти способы остановить рост этих микроскопических «шипов» ещё до того, как они смогут повредить батарею. Если это удастся, будущие аккумуляторы смогут стать более долговечными, более мощными и значительно безопаснее.
