Литиевые батареи: как дендриты вызывают короткие замыкания

Литий-металлические батареи считаются одним из самых перспективных направлений в области накопления энергии. Они способны хранить значительно больший объем энергии, занимая при этом меньше места и обладая меньшим весом. Однако их развитие замедляет одно явление: появление крошечных, похожих на иглы металлических структур, называемых дендритами, состоящими из лития. Эти структуры могут бесконтрольно разрастаться внутри батареи, приводя к разрушительным коротким замыканиям.

До недавнего времени считалось, что твердые электролиты, включая полимерные, способны подавлять этот рост.

«Электролиты отвечают за транспортировку ионов лития между двумя электродами внутри батареи, обеспечивая, таким образом, протекание тока», — поясняет Фабиан Апфельбек. Физик проводит докторские исследования в исследовательской группе профессора Петера Мюллер-Бушбаума на кафедре функциональных материалов Технического университета Мюнхена (TUM).

Полимерные электролиты обладают повышенной стабильностью и безопасностью по сравнению с жидкими, поскольку они не могут протекать или воспламеняться. Кроме того, они надежно разделяют электроды, предотвращая тем самым короткие замыкания.

«Однако наши измерения показывают, что рост дендритов может происходить и непосредственно внутри полимерного электролита — в самом материале, который, как предполагалось, защищает от дендритов», — говорит Фабиан Апфельбек, первый автор исследования, опубликованного в Nature Communications.

Результаты исследования ставят под сомнение одно из основных предположений в области исследований батарей. Профессор Петер Мюллер-Бушбаум объясняет: «До сих пор считалось, что рост дендритов происходит только на границе раздела электрод-электролит. Тот факт, что он также возникает вдали от этой границы, нас удивил.

Эти новые знания помогут нам разрабатывать и совершенствовать материалы, в которых подобные внутренние процессы кристаллизации не происходят изначально, что позволит создать более эффективные, безопасные и долговечные системы хранения энергии».

Для своих исследований ученые применили особенно точный метод: эксперименты по дифракции рентгеновских лучей в нанофокусе, проведенные в Немецком электронном синхротроне DESY в Гамбурге. Используя рентгеновский пучок диаметром всего 350 нанометров, им впервые удалось визуализировать микроскопические изменения внутри полимерного электролита во время работы батареи. Для этого они использовали специально разработанную миниатюрную ячейку, позволяющую наблюдать за батареей в реальных условиях эксплуатации.