Дендриты... Это странное слово, возможно, ничего не напоминает, но оно является бичом существования каждого разработчика аккумуляторов. Эти маленькие "шипы", образующиеся на электродах, могут привести к серьезным неисправностям и снижению эффективности. Исследователи из Массачусетского технологического института утверждают, что нашли инновационное решение этой проблемы.
Открытие, сделанное учеными Массачусетского технологического института, "может наконец-то открыть дверь к разработке нового типа перезаряжаемых литиевых батарей, которые легче, компактнее и безопаснее, чем существующие версии, и которые уже много лет ищут лаборатории по всему миру", — говорится в заявлении института.
Ключом к тому, чтобы сделать батареи легче и меньше, является электролит. Между анодом и катодом (+ и - клеммы цепи) находится проводящее вещество, называемое электролитом, в жидком состоянии. Ученые хотели заменить эту жидкость более тонким и легким слоем твердого керамического материала. "Этот поиск был отмечен большой проблемой: дендриты", — говорит MIT. Это был ключевой момент, который разрешили ученые.
Когда батарея подвергается нагрузке, может образоваться металлический налет, называемый гальваническим покрытием. В конце концов, формируются дендриты. Дендриты - это небольшие "шипы", образующиеся из отложений, которые могут создавать короткие замыкания. Они растут как ветви, отсюда и латинское название "дендриты", которое происходит от "ветви". Они не дают покоя исследователям, работающим над созданием батарей.
Новое исследование, опубликованное в журнале
Дендриты, механическая проблема
Затем они обнаружили, что причина образования дендритов - механическая. Движение ионов вперед-назад во время работы батареи приводит к изменению объема электродов. Твердый электролит, который должен оставаться в полном контакте с двумя электродами, между которыми он зажат, затем подвергается напряжению. "Чтобы осадить этот металл, должно произойти расширение объема, потому что вы добавляете новую массу", — объясняет Йет-Минг Чианг, один из авторов исследования. "Таким образом, на стороне ячейки, где осаждается литий, происходит увеличение объема. И если присутствуют даже микроскопические дефекты, это создает давление на эти дефекты, что может привести к появлению трещин". Таким образом, рассматриваемые трещины создают разломы, в которых могут развиваться дендриты.
Как только проблема была понята, нужно было найти решение. Чтобы противостоять этому механическому напряжению, они решили применить большее напряжение, но на этот раз рассчитанным и контролируемым способом. Чтобы лучше понять влияние механического напряжения, ученые использовали прозрачный электролит, что позволило им детально изучить происходящее внутри батареи. "Вы можете увидеть, что происходит, когда вы применяете сжатие к системе, и вы можете увидеть, ведут ли себя дендриты таким образом, который соответствует процессу коррозии или процессу разрушения", — объясняет Коул Финчер, соавтор исследования.
Команда продемонстрировала, что они могут напрямую манипулировать ростом дендритов, просто прикладывая и ослабляя давление. Другими словами, они не останавливали рост дендритов. Но им удалось добиться того, чтобы их рост не вредил батарее, например, обеспечив, чтобы они оставались параллельными двум электродам, а не пересекали электролит.
В этом эксперименте ученые решили вызвать давление путем сгибания материалов. Однако они утверждают, что это механическое напряжение может оказываться более чем одним способом, что расширяет возможности создания батарей, в которых рост дендритов контролируется. Ученые не планируют самостоятельно коммерциализировать эту концепцию, но надеются, что она может быть использована в промышленности для производства более совершенных батарей. "Я бы сказал, что это понимание режимов отказа твердотельных батарей, которое, по нашему мнению, необходимо знать промышленности и пытаться использовать для разработки более совершенных продуктов", — заключает Йет-Минг Чианг.