Фактор образования дендритов литий-ионных батарей определён учёными

Фактор образования дендритов литий-ионных батарей определён учёными

Учёные обнаружили коренную причину роста иглоподобных структур – дендритов в структуре литиевых батарей. Дендриты аккумуляторов являются причинами внутреннего короткого замыкания, отказа работы, а иногда причинами возгорания аккумулятора. Специалистами лаборатории при Министерстве энергетики США выявлены некоторые особенности АКБ. Так, присутствие определенных компонентов в электролите — жидкого материала, способствующего критической химии батареи — вызывает рост дендритов. Это открытие обещает привести к новым способам предотвращения роста дендритов путём манипулирования компонентами батареи. Подробности публикует «Nature Nanotechnology».

Древовидные структуры внутри АКБ

Дендриты представляют собой миниатюрные, жёсткие древовидные структуры, образующиеся внутри литиевой батареи. Такие отложения наносят существенный вред прибору питания. В частности, становится возможным пробой структуры – внутреннего сепаратора батареи, подобно тому, как сорняк пробивает бетонное покрытие или асфальтированную дорогу.

Процесс образования дендритов также является усилителем негативных реакций, протекающих между электролитом и литием, за счёт чего ускоряется эксплуатационный отказ батареи. Проблема дендритов серьёзно ограничивает потенциальное применение литий-металлических батарей, наделённых большим уровнем плотности энергии, чем литий-ионные аналоги.

Специалисты исследователи обнаружили, что происхождение дендритов литий-металлической батареи лежит в структуре, известной как «SEI» — межфазный твёрдый электролит. Именно здесь, где литиевая поверхность твёрдого анода контактирует с электролитом, формируются дефектные наросты. Кроме того, учёным удалось определть «виновника» процесса роста: этиленкарбонат — растворитель, используемый в электролите с целью улучшения характеристик батареи.

Этиленкарбонат делает батарею уязвимой для повреждений. Образование дефектов начинается, когда ионы лития слипаются с поверхностью анода. В результате такого слипания  образуется частица, являющаяся зачинательницей образования дефекта.

Структура растет медленно, аналогично росту сталагмитов на дне пещеры. Учёные обнаружили, что именно динамика энергии на поверхности «SEI» выступает направляющей большого количества ионов лития в медленно растущий столб. После этого внезапно образуются дендритные иглы.

Исследовательский процесс и планы

Чтобы запечатлеть процесс, учёные объединили атомно-силовой микроскоп (АСМ) и трансмиссионный электронный микроскоп (ETEM) — инструменты, позволяющие учёным изучать работающий аккумулятор в реальных условиях.

Аппаратура АСМ также использовалась для измерения силу негативного образования по мере роста. Обнаружилось, что уровень этиленкарбоната способствует росту дендритов. Чем больше этого вещества в структуре электролита, тем активнее формируется нарост.

Исследователями варьировались смеси электролитов, менялись ингредиенты, чтобы уменьшить количество дефектов. Некоторые добавления, например, циклогексанона, предотвращали рост. Между тем, учёные не ставили цель просто подавлять рост дефектов. Планы учёных состоят в том, чтобы выяснить причину и полностью устранить негатив.


При помощи информации: PNNL