Внутри литий-ионных аккумуляторов могут расти микроскопические металлические иглы — литиевые дендриты. Именно они часто становятся причиной коротких замыканий и постепенного выхода батарей из строя. Исследователи впервые подробно проследили, как такие структуры формируются и ведут себя в работающем аккумуляторе, и опубликовали работу в журнале Science. В проекте участвовали специалисты из Университета Райса, Технологического института Джорджии, Хьюстонского университета, Наньянского технологического университета в Сингапуре и Технологического института Нью-Джерси.
Дендриты — это крошечные кристаллы лития. Их толщина примерно в сто раз меньше человеческого волоса. Они появляются на аноде — отрицательном электроде батареи — и могут постепенно расти через электролит в сторону катода. Если такая игла достигает противоположного электрода, внутри элемента возникает короткое замыкание.
Долгое время наблюдать этот процесс было почти невозможно — дендриты формируются на очень малых масштабах внутри герметичного корпуса батареи. Чтобы изучить их поведение, исследователи разработали специальные герметичные установки для извлечения и анализа образцов. Это важно, потому что литий быстро реагирует даже с небольшим количеством воздуха.
После подготовки образцы исследовали с помощью электронной микроскопии и проверяли, как они ведут себя под механической нагрузкой. Сам литий — мягкий и пластичный металл, поэтому предполагалось, что и дендриты будут такими же. Однако эксперименты показали обратное — эти микроскопические кристаллы оказались жесткими и хрупкими: они ломаются быстрее, чем изгибаются.
Компьютерное моделирование помогло объяснить этот эффект. По мере роста дендрит покрывается тонким слоем вещества, образующегося на границе между литием и электролитом. Такая оболочка делает структуру более жесткой и придает ей форму иглы. В результате дендриты способны прокалывать внутренние перегородки аккумулятора.
При разрушении они оставляют внутри батареи фрагменты так называемого «мертвого лития», который больше не участвует в работе элемента. Со временем это снижает емкость аккумулятора.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что инженеры научили батареи «потеть» для охлаждения.
