Открытие, сделанное исследователями Массачусетского технологического института, может, наконец, проложить путь к разработке нового вида перезаряжаемых литиевых батарей, более легких, компактных и безопасных, чем существующие версии, над чем уже много лет работают лаборатории по всему миру.
Ключом к этому потенциальному скачку в технологии является замена жидкого электролита, который находится между положительным и отрицательным электродами, на гораздо более тонкий и легкий слой твердого керамического материала, а также замена одного из электродов на твердый металлический литий. Это значительно уменьшит общий размер и вес батареи и устранит риск безопасности, связанный с жидким электролитом, который является легковоспламеняющимся. Эти поиски до сих пор сталкивались с одной большой проблемой — дендритами.
Дендриты, название которых происходит от латинского слова “ветви”, представляют собой выступы металла, которые могут накапливаться на литиевой поверхности и проникать в твердый электролит, в конечном итоге переходя с одного электрода на другой и замыкая аккумуляторный элемент. Исследователи до сих пор не смогли прийти к единому мнению о том, что приводит к образованию таких металлических нитей, а также не смогли найти способ предотвратить их появление и тем самым сделать легкие твердотельные батареи практичным вариантом.
Новое исследование, опубликованное сегодня в журнале Joule за авторством профессора Йет-Минг Чианга, аспиранта Коула Финчера и пяти других сотрудников Массачусетского технологического института и Университета Брауна, похоже, решает вопрос о том, что вызывает образование дендритов. Он также показывает, как можно предотвратить переход дендритов сквозь электролит.
Чианг говорит, что в своей предыдущей работе группа сделала “удивительное и неожиданное” открытие, которое заключалось в том, что твердый, прочный материал электролита, используемый для твердотельной батареи, может быть пронизан литием, который является очень мягким металлом, в процессе зарядки-разрядки батареи, поскольку ионы лития перемещаются между двумя сторонами.
Это перемещение ионов туда-сюда приводит к изменению объема электродов, что неизбежно вызывает напряжение в твердом электролите, который должен оставаться в полном контакте с обоими электродами, между которыми находится. “Чтобы осадить этот металл, необходимо расширить объем, потому что вы добавляете новую массу”, — говорит Чианг. — “Таким образом, объем увеличивается на той стороне ячейки, где осаждается литий. И если там есть даже микроскопические дефекты, это создаст давление в этих точках, что может привести к растрескиванию”.
Эти напряжения, как показала команда, вызывают трещины, которые и позволяют формироваться дендритам. Решение проблемы, как оказалось, заключается в создании большего напряжения, приложенного в нужном направлении и с нужной силой.
Если раньше некоторые исследователи считали, что дендриты образуются в результате чисто электрохимического, а не механического процесса, то эксперименты команды показали, что именно механические напряжения являются причиной проблемы.
Процесс образования дендритов обычно происходит глубоко внутри непрозрачных материалов аккумуляторного элемента и не может наблюдаться непосредственно, поэтому Финчер разработал способ изготовления тонких элементов с использованием прозрачного электролита, позволяющий непосредственно наблюдать и записывать весь процесс. “Вы можете видеть, что происходит, когда вы подвергаете систему сжатию, и вы можете видеть, ведут ли себя дендриты таким образом, который соответствует процессу коррозии или разрушения”, — говорит он.
Команда продемонстрировала, что они могут напрямую управлять ростом дендритов, просто прикладывая и ослабляя давление, тем самым заставляя дендриты двигаться зигзагообразно в полном соответствии с направлением силы.
Прикладывание механических напряжений к твердому электролиту не устраняет образование дендритов, но контролирует направление их роста. Это означает, что их можно направить так, чтобы они оставались параллельными двум электродам и не могли никогда перейти на другую сторону, и таким образом обезвредить.
Другой подход заключается в “легировании” материала атомами, которые встраиваются в него, деформируя его и оставляя в постоянно напряженном состоянии. Это тот же метод, который используется для производства сверхтвердого стекла, используемого в экранах смартфонов и планшетов, объясняет Чианг. При этом необходимое давление не является экстремальным: эксперименты показали, что 150-200 мегапаскалей достаточно, чтобы дендриты перестали пересекать электролит.
Такое давление “соизмеримо со стрессами, которые обычно вызываются в коммерческих процессах выращивания пленок и многих других производственных процессах”, поэтому его несложно реализовать на практике, добавляет Финчер.
На самом деле, к элементам аккумулятора часто применяется другой вид напряжения, называемый давлением стека, при котором материал сжимается в направлении, перпендикулярном пластинам аккумулятора — примерно как при сжатии сэндвича, когда на него сверху кладут груз. Предполагалось, что это поможет предотвратить разделение слоев. Но теперь эксперименты показали, что давление в этом направлении фактически лишь усиливает образование дендритов.
Вместо этого необходимо давление вдоль плоскости пластин, как будто сэндвич сжимается с боков. “В этой работе мы показали, что когда вы прикладываете сжимающую силу, то можете заставить дендриты двигаться в направлении сжатия”, — говорит Финчер, так что при сжатии вдоль плоскости пластин, дендриты “никогда не доберутся до другой стороны”.
Это может наконец-то сделать практичным производство батарей с твердым электролитом и металлическими литиевыми электродами, что не только позволит вместить больше энергии в заданный объем и вес, но и устранит необходимость в жидких электролитах, которые являются легковоспламеняющимися материалами.
По словам Чианга, продемонстрировав основные принципы, следующим шагом команда попытается применить их для создания функционального прототипа батареи, а затем выяснить, какие именно производственные процессы потребуются для выпуска таких батарей в большом количестве.