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.
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.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Что случится с Сибирью к 2080 году: прогноз красноярских ученых и эксперта NASA
Арбузы вместо мерзлоты, большая ложка дегтя и открытый финал — в одном из самых обстоятельных исследований о будущем России...
Почти детективная история: в Ленобласти обнаружен самый большой клад серебра за всю историю
Среди находок две уникальные монеты, которых всего четыре в мире, включая, а также языческие вороны Одина… среди православных крестов...
За 320 миллионов лет Земля как минимум 4 раза опрокидывалась набок
Поразительное, но такое заваливание идет прямо сейчас. И геологи рассказали, как и почему это происходит...
Раскрыта 217-летняя тайна: искусственный интеллект взломал зашифрованное письмо Наполеона
Нейросети последних лет — это реальный прорыв: только за несколько недель было вскрыто более 30 безнадежных шифров...
Он помогал нести крест Христу: надпись на саркофаге проливает свет на библейского персонажа
2000-летний гроб был найден еще 1941 году, но ученые до сих пор не пришли к какому-то общему мнению. Почему?...
Радиационная «бомба замедленного действия» обнаружена в Чернобыле: и они до сих пор готова «взрываться»
Новые опыты покажут, каким будет зона отчуждения для следующих поколений...
Искусственный интеллект «ненавидит»… белых мужчин: новое исследование еще раз подтвердило западный тренд
Появление нейросетей значительно ухудшило положение одной из групп белого населения в Америке и Европе...
Искусственная гравитация: ученые рассказали, появится ли вообще главная фишка из фантастических фильмов в космосе
Космические инженеры знают три способа обмануть невесомость. Но пока рабочий из них только один, да и то есть нюансы...
Тайна Мертвого моря: что «кипятит» водоем изнутри, рассказали ученые
Оказалось, что в кристалликах соли скрыта история прошедших эпох...
100-летняя страшная история с черепами у древнеегипетских гробниц наконец-то прояснилась
Неожиданно оказалось, что человеческие жертвоприношения 5000 лет назад совершались совсем не так, как описано в древних табличках...
Аура цвета индиго: как появился этот феномен и кем в итоге стали уникальные дети
Их называли будущим человечества, но чуда не случилось. Разбираемся, почему так произошло...
Главный поджигатель в истории Австралии: почему ученые обвиняют капитана Джеймса Кука в постоянных мегапожарах на Зеленом континенте?
Воскрешение традиции, которую сломали британские колонизаторы, поможет «потушить» Пылающую Австралию...
Секрет марсианского «невозможного» облака-призрака наконец-то разгадан
Как оказалось, на Красной планете работает физика, которая на Земле считалась чистой теорией...
Таинственные траншеи в Австралии помогут открыть скрытые пещеры на Марсе
Равнина, которая 14 миллионов лет без воды, подсказала ученым, как расшифровывать фотографии с Красной планеты...