Ученые намерены решить проблему с использованием литиевых анодов

Литий-ионные батареи, которые приводят в действие ноутбуки, смартфоны и даже электрический транспорт, могли бы обладать значительно более высокой энергетической плотностью, если графитовые аноды в них заменить металлическими анодами из лития.

Отсрочка этой модификации обусловлена так называемой дендритной проблемой. В течение нескольких циклов зарядки/разрядки батареи, особенно когда эти циклы быстро следуют один за другим, микроскопические волокна лития под названием дендриты растут на поверхности литиевого электрода и распространяются как растение кудзу по электролиту, пока не достигают другого электрода. Электрический ток, проходящий по дендритам, приводит к короткому замыканию, заставляя батарею перегреваться и в ряде случаев даже загораться. Попытки решить проблему пока привели лишь к ограниченному успеху, возможно, потому, что захватили проблему лишь поверхностно.

Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США обнаружили, что на ранних стадиях развития большая часть дендритного материала располагается ниже поверхности литиевого электрода, под интерфейсом электрода и электролита.

С помощью рентгенной микротомографии ученые во главе с Ниташем Балсарой наблюдали формирование семян в литиевых анодах и их рост в полимерном электролите во время цикла. Лишь на продвинутой стадии развития большая часть дендритного материала была в электролите. Балсара с коллегами подозревают, что непроводящие загрязнители в литиевом аноде запускают дендритную нуклеацию.

«Вопреки всему, кажется, что предотвращение формирования дендритов в полимерных электролитах зависит от блокирования формирования субповерхностных дендритных структур в литиевом электроде», сказал Балсара. „Оказывается, что дендриты — это не простые протрузии, исходящие с поверхности литиевого электрода, и что субповерхностные непроводящие примеси также могут быть источником дендритных структур. Наши результаты обеспечивают четкие рекомендации по широкому использованию литиевых анодов“.

Профессор Балсара описал результаты исследования в издании Nature Materials в соавторстве с Кэтрин Харри, Дэниелом Хэллинаном, Дилуортом Паркинсоном и Аластером Макдауэлом.

Удивительная мощность лития и способности металла проводить ионы лития по электродам, равно как и выводить из них в ходе циклом зарядки/разрядки, делают его идеальным материалом для анода. До сих пор исследователи изучали дендритную проблему с помощью разных форм электронной микроскопии. Данное исследование впервые задействовало микротомографию, которая позволит получить трехмерное отображение твердых объектов с разрешением примерно 1 микрон.

«Мы наблюдали кристаллические примеси в литиевом аноде, которые появляются в основе каждого дендрите как яркое пятнышко», отметила Кэтрин Харри. „Литиевая фольга, которую мы использовали в данном исследовании, содержит множество элементов помимо лития, и больше всего азот. Мы не можем пока сказать окончательно, какие именно примеси ответственны за дендритную нуклеацию, но планируем решить данную проблему с помощью рентгенной микротомографии“.

Также ученые планируют и дальше исследовать роль электролита в развитии дендритов, и уже анализируют способы устранения непроводящих примесей из литиевых анодов.