Группа ученых Университета Брауна и Массачусетского технологического института смогли определить механизм образования токопроводящих структур (дендритов) в твердом электролите, который используется в современных литиевых аккумуляторах. Данные структуры фактически представляют собой полноценные токопроводящие дорожки, которые способны инициировать короткое замыкание между электродами. Новое открытие позволит ускорить процесс создания батарей нового типа – легких, емких и максимально безопасных.
В процессе химических реакций, которые лежат в основе работы батарей данного типа, литий осаждается на электроды. Длительная эксплуатация приводит к появлению жестких образований, способных при определенных условиях проткнуть разделительную мембрану и вызвать короткое замыкание. В случае использования жидкого электролита такая ситуация приводит к сильному воспламенению – такие инциденты не редкость. Сейчас ведутся работы по созданию литиевых аккумуляторов с особым твердым электролитом. Разработчики ожидают, что новая технология исключит опасные самовозгорания с сильным пламенем, но процесс осаждения лития в них также присутствует и способен вывести батарею из строя.
Ранее специалистам не удавалось теоретически описать процесс, который позволял мягкому литию проникнуть в пластину твердой керамики и создать там токопроводящие структуры. Электролит представляет собой твердую и непрозрачную массу, что не позволяет изучить данный процесс путем визуальных наблюдений. Чтобы понять все тонкости данного процесса ученные создали полноценный макет твердотельного аккумулятора и провели серию опытов.
Это позволило определить, что инициализация процесса проникновения лития в твердый электролит возможна только при предварительном образовании микротрещин. При этом современные батареи используют такую компоновку узлов, при которой физическое напряжение на батарее создается перпендикулярно среде электролита и самим электродам. Это приводит к тому, что микротрещины распространяются от электрода к электроду, что и приводит к созданию токопроводящих дорожек в том же направлении.
После определения природы дефекта специалисты изменили направление давления и убедились, что микротрещины также шли параллельно электродам. При этом образование дендритов уже не могло привести к короткому замыканию. Специалисты отметили, что для изменения направления физического напряжения нет необходимости вносить значительные конструктивные изменения.
В дальнейшем команда планирует оформить патент на надежные твердотельные литиевые батареи. Однако сами их производить они не планируют – они считают, что лучше это делать на инфраструктуре компаний, которые уже давно работают в данной сфере.