Сталактиты и сталагмиты в батарее? Новое исследование может привести к более долговечным источникам питания

Их считают «Святым Граалем» в исследованиях батарей: так называемые твердотельные батареи. У них больше нет жидкого ядра, как в современных батареях, а они состоят из твердого материала. Это дает несколько преимуществ: среди прочего, эти батареи труднее воспламенить, а также их можно производить в миниатюрных масштабах.


Ученые из Института исследований полимеров Макса Планка теперь обратили внимание на жизненный цикл таких батарей и процессы, которые его сокращают. Благодаря их открытиям в будущем могут быть реализованы более долговечные твердотельные батареи.

Будь то электронный автомобиль, мобильный телефон или беспроводная отвертка, многие устройства, используемые ежедневно, теперь используют перезаряжаемые батареи. Однако у тренда есть и минусы. Например, некоторые сотовые телефоны запретили перевозить в самолетах, а электромобили нередко загораются. Современные коммерческие литий-ионные аккумуляторы чувствительны к механическим воздействиям.

Так называемые «твердотельные батареи» могли бы стать панацеей. Они больше не содержат жидкого ядра — так называемого электролита — и полностью состоят из твердого материала, например керамического ионного проводника. В результате они механически прочны, негорючи, легко миниатюризируются и нечувствительны к колебаниям температуры.

Но твердотельные батареи обнаруживают свои проблемы после нескольких циклов зарядки и разрядки: хотя положительный и отрицательный полюсы батареи все еще электрически отделены друг от друга в начале, они в конечном итоге соединяются друг с другом за счет внутренних процессов батареи: внутри элемента начинают расти так называемые «литий-дендриты».

Дендриты растут шаг за шагом во время каждого процесса зарядки, пока два полюса не соединятся. Итог: аккумулятор замыкается и «умирает». Однако до сих пор точные физические процессы, происходящие в этом процессе, еще недостаточно изучены.

Группа исследователей под руководством Рюдигера Бергера взялась за решение этой проблемы и использовала специальный метод микроскопии для детального исследования процессов. Они исследовали вопрос о том, откуда начинают расти литиевые дендриты. Это похоже на известняковую пещеру, где сталактиты растут с потолка, а сталагмиты — с пола, пока они не соединятся посередине и не образуют так называемый «сталагнат»?

В батарее нет верха и низа, но растут ли дендриты от отрицательного полюса к положительному или от положительного к отрицательному полюсу? Или они одинаково растут с обоих полюсов? Может быть, в батарее есть особые места, которые приводят к зарождению и последующему росту дендритов оттуда?

Группа Рюдигера Бергера, в частности, изучала так называемые «границы зерен» в керамическом твердом электролите. Эти границы формируются при производстве твердого слоя: Атомы в кристаллах керамики в основном расположены очень регулярно. Однако из-за небольших случайных флуктуаций в росте кристаллов образуются линейные структуры, в которых атомы расположены неравномерно — так называемая «граница зерен».

Эти границы зерен видны с помощью метода «Микроскопия силы зонда Кельвина», при котором поверхность сканируется острым наконечником. Если твердотельная батарея заряжена, силовая микроскопия с зондом Кельвина видит, что электроны накапливаются вдоль границ зерен, особенно вблизи отрицательного полюса. Последнее свидетельствует, что граница зерна изменяет не только расположение атомов керамики, но и их электронную структуру

Ученые выяснили, что благодаря накоплению электронов, т. е. отрицательных частиц, положительно заряженные ионы лития, перемещающиеся в твердом электролите, могут восстанавливаться до металлического лития. Результат: образуются литиевые отложения и литиевые дендриты. Если процесс зарядки повторяется, дендрит будет продолжать расти, пока, наконец, полюса батареи не будут соединены. Формирование таких начальных стадий роста дендритов наблюдалось только на отрицательном полюсе — тоже наблюдалось только на этом полюсе. На противоположном положительном полюсе роста не наблюдалось.

Ученые надеются, что с точным пониманием процессов роста они также смогут разработать эффективные способы предотвращения или, по крайней мере, ограничения роста на отрицательном полюсе, чтобы в будущем можно было использовать более безопасные литиевые твердотельные батареи широкого применения.