Учёные раскрыли загадку взрывоопасности литиевых батарей с твёрдым электролитом

Группа учёных из Массачусетского технологического института и Университета Брауна выяснила, каким образом в твёрдом электролите литиевых аккумуляторов образуются токопроводящие дорожки от одного электрода к другому, что ведёт к короткому замыканию батарей. Открытие откроет путь к созданию лёгких, ёмких и безопасных аккумуляторов.

Литиевые нити растут в электролите по направлению приложенных усилий, что устранит опасность короткого замыкания. Источник изображения: MIT

Из опыта работы с литиевыми аккумуляторами известно, что в процессе химических реакций в батарее на электродах осаждается литий. По мере эксплуатации батареи литиевые иглы могут проткнуть мембрану и замкнуться на втором электроде, вызвав короткое замыкание и сильное воспламенение в случае жидких электролитов. Перспективные литиевые батареи с твёрдым электролитом на основе керамики обещают не вспыхивать открытым огнём, но осаждение лития в них всё равно происходит и выводит их из строя.

До сих пор учёных мучил вопрос, как мягкий литий проникает в твёрдую керамику и создаёт там ветвящуюся структуру? Твёрдый и непрозрачный электролит не позволяет воочию увидеть процесс распространения ветвей лития — дендритов — от одного электрода к другому. Чтобы понять физику и химию процесса, учёные создали макет твердотельного литиевого аккумулятора и провели с ним ряд опытов.

Выяснилось, что литий проникает в твёрдый электролит только тогда, когда в нём образуются микротрещины. А конструкция современных батарей такова, что физическое напряжение в батареях всегда создаётся перпендикулярно электродам и среде электролита. Подобная конструкция способствует распространению микротрещин от электрода к электроду и, следовательно, ведёт к образованию токовых дорожек из металлического лития до тех пор, пока не происходит короткое замыкание.

После обнаружения указанного эффекта (или дефекта) учёные создали давление на бутерброд из пластин электродов и твёрдого электролита в поперечном направлении. Тем самым образование микротрещин шло в направлении параллельно электродам, что не могло привести к короткому замыканию, даже если в материале росли дендриты из лития. Исследователи утверждают, что создать физическое напряжение в литиевых батареях в нужном направлении можно простым и доступным для массового производства способом. Сегодня для этого есть все технологии и никаких сверхусилий для этого не нужно.

Команда собирается подать патент на изобретение надёжных твердотельных литиевых аккумуляторов, хотя сама не собирается их выпускать. Для этого есть ведущие производители батарей, которым необходимо лишь воспользоваться новыми знаниями.