«Корни» дендритной проблемы кроются под поверхностью литиевых анодов

Литий-ионные батареи, обеспечивающие электричеством лэптопы, смартфон и электромобили, могли бы поддерживать значительно более высокую плотность энергии, если бы их графитовые аноды заменить литиевыми. На пути такой модификации стоит, однако, так называемая дендритная проблема.

За несколько циклов зарядки-разрядки аккумулятора из поверхности литиевого анода в электролит прорастают микроскопические волокна этого металла (дендриты). Они продолжают удлиняться, пока не достигают противоположного электрода, что вполне естественно вызывает короткое замыкание, перегрев и, в отдельных случаях, даже возгорание.

Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) выяснили, что на ранних стадиях своего развития, основная часть дендритного материала находится внутри литиевого электрода, под поверхностью раздела электрод/электролит. Применив рентгеновскую микротомографию с синхротронным источником жесткого монохроматического излучения Advanced Light Source (ALS) им удалось наблюдать с разрешением примерно 1 мкм формирование зародышей дендритов в литиевых анодах и их прорастание в полимерный электролит в процессе циклической эксплуатации батареи.

Ученые также выдвинули предположение, что инициатором образования зародышей дендритов являются непроводящие примеси, присутствующие в литиевом аноде.

«Вопреки обычному здравому смыслу, нам представляется, что предотвращение формирования дендритов в полимерных электролитах зависит от подавления формирования подповерхностных дендритных структур в литиевом электроде, — пишет в статье для Nature Materials руководитель данной работы, профессор Ниташ Балсара (Nitash Balsara). — Демонстрируя, что дендриты это не просто выступы на поверхности литиевого электрода, и что подповерхностные непроводящие примеси могут служить источником дендритных структур, наши результаты дают четкое предписание направления работ для обеспечения широкого внедрения литиевых анодов».

Балсара и его группа также планируют продолжить изучение роли электролита в дендритном росте и уже приступили к поиску путей устранения непроводящих примесей, и прежде всего азота, из литиевых анодов.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365