Японские учёные наблюдали за ростом дендритов в работающих батареях

Неправильное использование зарядных устройств и чрезмерная зарядка могут приводить к росту нитевидных структур на отрицательном электроде батареи, называемых «литиевыми дендритами». Эти образования могут повреждать барьер между отрицательным и положительным электродами, что приводит к короткому замыканию. Изучение того, как именно происходит рост дендритов, имеет решающее значение для безопасности литий-ионных батарей (LIB).

Эксперименты по отслеживанию формирования дендритов, как правило, проводятся ex situ — вне реальной электрохимической среды литиевой батареи. Давая общие ответы о связи дендритов с состоянием перезаряжённости, они не позволяли установить точный момент начала образования дендритов, критичный для вопросов эксплуатации источников питания.

В новой работе, представленной на страницах издания Journal of Materials Chemistry A, сотрудники Университета Окаяма (Япония) под руководством адъюнкт-профессора Кадзумы Гото (Kazuma Gotoh), поставили перед собой цель преодолеть это ограничение. Для этого они обратились к методам «операндо», применяющимся к работающей электрохимической среде.

С помощью аналитической техники ядерного магнитного резонанса (ЯМР) авторы могли точно отслеживать атомы лития во внутренней структуре материалов, в данном случае, в ходе поглощения/высвобождения ионов лития электродами (циклы зарядки/разрядки батареи).

ЯМР-анализ помог им зафиксировать точное время начала образования дендритов и отложения лития в перезаряженной батарее как для графитовых, так и для твёрдоуглеродных электродов. В графите дендриты появлялись вскоре после достижения фазы полного насыщения литием электрода. В твёрдом углероде формирование дендритов начиналось позже, ему предшествовало возникновение «квазиметаллических» кластеров Li в порах электродного материала.

Свою гипотезу о том, что кластеры играют роль буфера для формирования дендритов, японские ученые успешно проверили на другом типе перезаряжаемой батареи с пористым электродным материалом — натрий-ионной (NIB) с аморфным углеродом. Эти знания будут играть важную роль в обеспечении безопасности обеих разновидностей батарей.

«Наши результаты приложимы не только к LIB и NIB, но и к вторичным батареям следующего поколения, таким как все твердотельные батареи. Это важный шаг, который облегчит их практическое применение», — заявил Гото.

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