Твердотельные батареи: инновационный способ предотвращения короткого замыкания

Ученые нашли способ перенаправлять опасные дендриты внутри твердотельных батарей

Команда исследователей из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC разработала метод, позволяющий уменьшить вероятность короткого замыкания в твердотельных аккумуляторах с помощью механического сжатия. Хотя давление не предотвращает образование литиевых дендритов, оно заставляет их расти в менее рискованном направлении, что позволило экспериментальным ячейкам функционировать на протяжении тысяч циклов.

Дендриты представляют собой одно из основных препятствий для широкого применения твердотельных аккумуляторов. Во время зарядки литий может накапливаться в микроскопических дефектах керамического электролита, образуя игловидные металлические структуры. Если такой рост достигает противоположного электрода, это приводит к короткому замыканию внутри батареи.

В ходе эксперимента ученые применяли механическое сжатие твердого электролита с использованием кольца из сплава с памятью формы. При нагревании до 170 °C кольцо сжималось, создавая механическое давление на тестируемую ячейку.

Неожиданно выяснилось, что дендриты продолжали образовываться, однако меняли направление своего роста. Вместо того чтобы двигаться через электролит к электродам, они в основном распространились горизонтально. Таким образом, даже значительное количество металлических литиевых образований не вызывало замыкания.

Для наблюдения за процессами внутри батареи исследователи использовали рентгеновское оборудование. Оно дало возможность установить, что дендриты могут формироваться непосредственно внутри керамического электролита — в порах, на границах кристаллических зерен и других микроскопических дефектах. Ранее не было однозначного ответа на вопрос, возникают ли они исключительно на поверхности электролита или могут формироваться внутри него.

Ключевым оказался ресурс экспериментальных элементов. Несмотря на образование множества дендритов, находившиеся под механическим давлением батареи продолжали функционировать на протяжении тысяч циклов зарядки/разрядки.

В будущем инженеры смогут создать аккумуляторы, в которых твердый электролит будет находиться под заранее рассчитанным механическим напряжением. Альтернативным направлением остается улучшение самого материала — снижение числа внутренних дефектов и электронной проводимости, способствующих образованию металлического лития.

Твердотельные аккумуляторы рассматриваются как один из перспективных преемников современных литий-ионных батарей. Теоретически они способны обеспечить значительно более высокую плотность энергии, одновременно повышая надежность и безопасность. Однако для массового внедрения необходимо решить не только проблему дендритов, но и обеспечить стабильный контакт между твердым электролитом и электродами.

Следующим этапом исследований ученых станет изучение границ между анодом, катодом и электролитом.