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.

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.

Команда из сша и Сингапура уникальную методику разработала. Дендриты извлекли из реальной батареи и в герметичной камере сканирующего электронного микроскопа нагрузили их нанозондами, полностью исключив контакт с воздухом.
Результат парадоксальным оказался. Вопреки представлениям о мягкости лития, дендриты обладают высокой прочностью и ведут себя как хрупкие иглы: под нагрузкой они не гнутся, а внезапно ломаются, подобно стеклу. Авторы связывают это с тонкой оболочкой - слоем твердого электролитного интерфейса (SEI), который действует как жесткий армирующий каркас.

Хрупкое разрушение объясняет и появление "Мертвого Лития": отломанные фрагменты теряют контакт с электродом и накапливаются, снижая емкость. Эксперименты группы профессора янь Яо (университет Хьюстона) подтвердили тот же механизм в твердотельных батареях.
Полученные данные опровергают стратегию защиты мягкими барьерами - жесткая игла пробивает их насквозь. Учет реальной механики роста дендритов необходим для создания безопасных батарей следующего поколения.

Фото: Lou Group/Rice University.