Вчені розкрили загадку вибухонебезпечності літієвих батарей із твердим електролітом

Група вчених з Массачусетського технологічного інституту та Університету Брауна з’ясувала, яким чином у твердому електроліті літієвих акумуляторів утворюються струмопровідні доріжки від одного електрода до іншого, що веде до короткого замикання батарей. Відкриття відкриє шлях до створення легких, ємних та безпечних акумуляторів.

З досвіду роботи з літієвими акумуляторами відомо, що в процесі хімічних реакцій батареї на електродах осаджується літій. У міру експлуатації батареї літієві голки можуть проткнути мембрану та замкнутися на другому електроді, викликавши коротке замикання та сильне займання у разі рідких електролітів. Перспективні літієві батареї з твердим електролітом на основі кераміки обіцяють не спалахувати відкритим вогнем, але осадження літію все одно відбувається і виводить їх з ладу.

Досі вчених мучило питання, як м’який літій проникає у тверду кераміку і створює там розгалужену структуру? Твердий і непрозорий електроліт не дозволяє на власні очі побачити процес поширення гілок літію – дендритів – від одного електрода до іншого. Щоб зрозуміти фізику та хімію процесу, вчені створили макет твердотілового літієвого акумулятора та провели з ним низку дослідів.

З’ясувалося, що літій проникає у твердий електроліт лише тоді, коли у ньому утворюються мікротріщини. А конструкція сучасних батарей така, що фізична напруга в батареях завжди створюється перпендикулярно до електродів і середовища електроліту. Подібна конструкція сприяє поширенню мікротріщин від електрода до електрода і, отже, веде до утворення струмових доріжок із металевого літію доти, доки не відбувається коротке замикання.

Після виявлення зазначеного ефекту (або дефекту) вчені створили тиск на бутерброд із пластин електродів та твердого електроліту в поперечному напрямку. Тим самим утворення мікротріщин йшло в напрямку паралельно електродам, що не могло призвести до короткого замикання, навіть якщо в матеріалі росли дендрити з літію. Дослідники стверджують, що створити фізичну напругу в літієвих батареях у потрібному напрямку можна простим та доступним для масового виробництва способом. Сьогодні для цього є всі технології й жодних надзусиль для цього не потрібно.

Команда збирається подати патент на винахід надійних літієвих твердотілових акумуляторів, хоча сама не збирається їх випускати. Для цього є провідні виробники батарей, яким потрібно лише користуватися новими знаннями.