Ученые нашли причину хрупкости литий-ионных аккумуляторов
Литиевые дендриты — микроскопические отростки, напоминающие иглы или веточки, которые образуются на отрицательном электроде аккумулятора в процессе зарядки, — долгое время считались одной из главных проблем литий-ионных батарей. Именно они нередко становятся причиной потери емкости, внутренних замыканий и даже возгораний.
Однако до последнего времени ученые не могли точно сказать, как эти структуры ведут себя механически внутри реальной батареи. Прорыв совершила международная группа исследователей, впервые напрямую измерившая прочность и характер разрушения единичных дендритов. Результаты опубликованы в журнале Science, о них рассказывает Phys.org.
Как поясняет один из авторов работы Цин Ай, десятилетиями дендриты оставались для науки «черным ящиком»: их наномеханические свойства не поддавались измерению. Причина — в масштабе. Толщина дендрита составляет считаные сотни нанометров, что в сотни раз тоньше человеческого волоса, а потому работать с ними невероятно сложно. Кроме того, литий исключительно активен химически: малейший контакт с воздухом или влагой меняет его структуру, искажая любые замеры. Все предыдущие попытки изучить дендриты проводились либо в условиях, далеких от реальных, либо на усредненных образцах, что не давало полной картины.
Чтобы преодолеть эти трудности, команда из США и Сингапура разработала уникальную методику. Дендриты извлекали из настоящей батареи, после чего в камере сканирующего электронного микроскопа к ним прикладывали механическую нагрузку с помощью нанозондов. Весь процесс проходил в герметичной системе, полностью исключающей контакт с воздухом. Это позволило впервые в истории провести прямые индивидуальные испытания наноструктур лития.
Результат оказался неожиданным и даже парадоксальным. Вопреки устоявшимся представлениям, литиевые дендриты не являются мягкими и пластичными, как массивный литий. Напротив, они обладают высокой механической прочностью и ведут себя как хрупкие иглы. Под нагрузкой они не деформируются постепенно, а ломаются внезапно, подобно стеклу.
Авторы связывают такое поведение с тонкой оболочкой, покрывающей дендрит в процессе роста — так называемым слоем твердого электролитного интерфейса (SEI), который образуется на поверхности лития. Оболочка действует как армирующий каркас, придающий дендриту жесткость, но одновременно лишающий его пластичности. В результате «литиевые усики» не гнутся, а срезают препятствия — будь то пористый сепаратор или даже твердый электролит.
Хрупкое разрушение дендритов объясняет и другую давнюю проблему батарей — появление так называемого мертвого лития. Когда игла обламывается, ее фрагменты теряют электрический контакт с электродом и перестают участвовать в работе. Со временем такие изолированные кусочки накапливаются, снижая полезную емкость аккумулятора.
Дополнительные эксперименты, проведенные в группе профессора Янь Яо из Университета Хьюстона, подтвердили: тот же хрупкий механизм работает и в твердотельных батареях. Наблюдения в реальном времени показали, что дендриты ломаются схожим образом независимо от типа электролита.
Новые данные заставляют пересмотреть подходы к защите батарей от дендритов. Если раньше предполагалось, что достаточно создать мягкий или эластичный барьер, который «обволакивает» растущие структуры, то теперь ясно: жесткая игла способна пробить такое препятствие насквозь. А после разрушения оставшиеся фрагменты продолжают ухудшать характеристики элемента.
По мнению исследователей, полученная «механическая картина» открывает путь к разработке более эффективных стратегий борьбы с дендритами. Теперь инженеры и материаловеды могут проектировать защитные слои, учитывающие реальную механику роста и разрушения этих наноструктур. Это важно для создания безопасных и долговечных батарей следующего поколения — от электромобилей до стационарных накопителей энергии.
