Исследователи из Проекта SOLBAT Института Фарадея сделали значительный шаг в понимании того, как и почему твердотельные батареи выходят из строя. Статья, опубликованная в Nature Materials 22 апреля, дает ответы на один важный фрагмент этой научной головоломки.
Для дальнейшего развития электромобилей и преодоления ограничений их аккумулятороф при меньших затратах, исследователи пытаются разработать новые батареи, которые «выходят за рамки литий-ионных». Твердотельные батареи (SSB) -одна из подобных многообещающих технологий, но массовое внедрение SSB на рынок сдерживается рядом ключевых технических проблем, которые приводят к отказу батареи при зарядке и разрядке. Например, твердотельную батарею может закоротить после повторения зарядки и разрядки. Одной из хорошо известных причин короткого замыкания в батарее является рост дендритов, разветвленных нитей лития, которые «прорастают» сквозь твердый электролит во время зарядки батареи.
Международная группа исследователей собрала убедительные доказательства в поддержку одной из двух конкурирующих теорий, касающихся механизма, с помощью которого дендриты лития прорастают через керамические электролиты, приводя к малому сроку жизни батарей. Исследователи использовали метод визуализации, аналогичный тому, который используется в медицинских сканерах КТ — рентгеновская компьютерная томография в сочетании с пространственно отображенной рентгеновской дифракцией — для того, чтобы визуализировать и охарактеризовать рост трещин и дендритов глубоко внутри работающей твердотельной батареи.
Оказалось, что сначала в электролите, примыкающем к покрытому литиевым анодом покрытию, образуются конические трещины, похожие на выбоины. Трещина распространяется по траектории, где пористость выше среднего значения по всему объему керамики. Затем металлический литий осаждается вдоль трещины, и это попадание приводит к распространению трещин, расширяя их. Фронт трещины распространяется перед осаждением лития, и литий не присутствует на кончике трещины. Только позже, когда литиевые пластины проходят вдоль всей трещины, происходит окончательное короткое замыкание батареи.
Полное понимание механизма роста дендритов внутри твердого электролита поможет выбрать стратегию борьбы с этим «недугом твердотельных батарей».
https://www.nature.com/articles/s41563-021-00967-8
