Твердотельные батареи предложили «сжимать», чтобы предотвратить короткое замыкание
Ученые нашли способ перенаправлять опасные дендриты внутри твердотельных батарей
Исследователи Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC обнаружили способ снизить риск короткого замыкания в твердотельных аккумуляторах при помощи механического сжатия. Давление не предотвращает появление литиевых дендритов, но заставляет их расти в менее опасном направлении, за счет чего экспериментальные ячейки смогли проработать тысячи циклов.
Источник изображения: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Дендриты являются одним из главных препятствий для массового распространения твердотельных аккумуляторов. Во время зарядки литий может скапливаться в микроскопических дефектах твердого керамического электролита и образовывать игольчатые металлические структуры. Если такой отросток достигнет противоположного электрода, внутри батареи возникает короткое замыкание.
В эксперименте ученые сжимали твердый электролит с помощью кольца из сплава с памятью формы. При нагреве до 170 °C кольцо сокращалось, создавая механическое давление на исследуемую ячейку.
Неожиданно выяснилось, что дендриты продолжали возникать, однако меняли направление роста. Вместо движения через электролит в сторону электродов они распространялись преимущественно горизонтально. В результате даже большое количество металлических литиевых образований не приводило к замыканию.
Для наблюдения процессов внутри батареи исследователи использовали рентгеновское оборудование. Оно позволило установить, что дендриты способны зарождаться непосредственно внутри керамического электролита — в порах, на границах кристаллических зерен и других микроскопических дефектах. Ранее не было однозначного ответа, появляются ли они только на поверхности электролита или могут формироваться непосредственно внутри него.
Особенно важным оказался ресурс экспериментальных элементов. Несмотря на образование многочисленных дендритов, находившиеся под механическим давлением батареи продолжали работать на протяжении тысяч циклов заряда/разряда.
В перспективе инженеры смогут создать аккумуляторы, в которых твердый электролит постоянно находится под заранее рассчитанным механическим напряжением. Альтернативным направлением остается совершенствование самого материала — уменьшение количества внутренних дефектов и электронной проводимости, способствующих образованию металлического лития.
Твердотельные аккумуляторы считаются одним из перспективных преемников современных литий-ионных батарей. Теоретически они способны обеспечить значительно более высокую плотность энергии, одновременно повысив надежность и безопасность. Однако до массового внедрения необходимо решить не только проблему дендритов, но и обеспечить стабильный контакт между твердым электролитом и электродами.
Следующим этапом работы ученых станет именно изучение границ между анодом, катодом и электролитом.