Учёные выяснили, почему твердотельные аккумуляторы часто выходят из строя
Исследователи из Массачусетского технологического института и Мюнхенского технического университета выяснили одну из ключевых причин, по которой твердотельные аккумуляторы теряют эффективность и преждевременно выходят из строя. Новое исследование объясняет механизм образования литиевых дендритов — микроскопических разветвлённых структур металлического лития, которые могут вызывать внутренние короткие замыкания и разрушение аккумулятора. Полученные результаты открывают путь к созданию более безопасных аккумуляторов, способных быстрее заряжаться и служить значительно дольше.
Твердотельные аккумуляторы считаются одним из наиболее перспективных направлений развития систем накопления энергии. По сравнению с традиционными литийионными аккумуляторами они обеспечивают более высокую плотность энергии и обладают повышенной безопасностью благодаря использованию твёрдых или почти твёрдых электролитов. Однако их широкому внедрению до сих пор препятствует образование литиевых дендритов, которые постепенно ухудшают характеристики и приводят к отказу батарей.
Долгое время основное внимание исследователей было сосредоточено на границе между электролитом и электродами. Однако новая работа показала, что не менее важную роль играют границы между отдельными кристаллами твёрдого электролита. Именно в этих областях формируются условия, способствующие зарождению дендритов, хотя точный механизм этого процесса оставался неясным.
Учёные установили, что на межкристаллических границах возникают скрытые электрические неравновесия, создающие локальные электрические поля. Они изменяют перенос литиевых ионов и электронов в процессе зарядки и разрядки аккумулятора. В результате возрастает сопротивление движению литиевых ионов, а электроны начинают накапливаться в области границ, где происходит восстановление ионов лития до металлического состояния. Именно этот процесс становится источником формирования литиевых дендритов.
Для проверки своей гипотезы исследователи разработали модель пространственного распределения электрического заряда на межкристаллических границах. Затем они изучили один из наиболее перспективных твёрдых электролитов — литий-лантан-цирконат (LLZO), используя электронную микроскопию, методы машинного обучения и электрохимическую импедансную спектроскопию. Такой комплексный подход позволил подробно описать электрические и химические процессы, происходящие внутри материала.
На основе полученных данных учёные изменили технологию изготовления электролита, что позволило снизить негативный пространственный заряд на межкристаллических границах. Благодаря этому улучшился перенос литиевых ионов и снизилась утечка электронов.
В результате критическая плотность тока увеличилась более чем на 300 % по сравнению с исходным материалом. Это означает, что аккумулятор способен работать при значительно более высоких токах без образования дендритов, что позволяет ускорить зарядку и разрядку, увеличить срок службы и повысить надёжность системы.
По словам авторов исследования, работа впервые дала фундаментальное понимание процессов, происходящих на межкристаллических границах твёрдого электролита. Эти знания могут быть использованы для разработки новых материалов и технологий, позволяющих повысить долговечность и безопасность твердотельных аккумуляторов.
По мнению исследователей, полученные результаты открывают путь к созданию более эффективных систем накопления энергии следующего поколения, которые смогут найти применение в электромобилях, портативной электронике и энергетических системах.
Исследование в журнале Nature Nanotechnology.