Исследование, недавно опубликованное в журнале Science, впервые непосредственно наблюдало процесс роста литиевых дендритов внутри литий-ионных аккумуляторов и раскрыло механический принцип, приводящий к короткому замыканию. Эта работа, выполненная совместно исследователями из нескольких университетов США и Сингапура, предоставляет ключевые данные для повышения безопасности аккумуляторов следующего поколения.
Литиевые дендриты — это микроскопические металлические структуры, которые растут от отрицательного электрода во время зарядки аккумулятора, их диаметр примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса. Исследовательская группа обнаружила, что эти структуры не являются мягкими, как считалось ранее, а проявляют высокую прочность и хрупкость. Доктор Син Лю из Технологического института Нью-Джерси, участвовавший в исследовании, заявил: «Литиевые дендриты широко признаны одним из главных препятствий для коммерциализации литий-металлических батарей». Во время работы батареи дендриты не только могут прокалывать сепаратор, вызывая короткое замыкание, но и их обломки, образующиеся после разрушения — «мертвый литий», который является электроизолирующим, — приводят к снижению емкости батареи.
Для точного наблюдения в наномасштабе исследователи из Университета Райса создали герметичную платформу для подготовки образцов, чтобы избежать структурных изменений высокоактивного лития при контакте с воздухом. С помощью высокоразрешающего электронного микроскопа и специальной платформы для механической характеризации команда впервые провела испытания на растяжение одиночного литиевого дендрита, извлеченного из работающей батареи. Выпускник докторантуры Университета Райса, соавтор исследования Боюй Чжан объяснил сложность этой тонкой работы: «Чтобы иметь возможность проводить количественные исследования литиевых дендритов, мы разработали специальные платформы для подготовки образцов и механической характеризации для этой деликатной задачи».
Результаты экспериментов показали, что механическое поведение литиевых дендритов, покрытых слоем твердого электролитного интерфейса (SEI), при разрушении кардинально отличается от ожидаемого. Син Лю описал это: «Наши наблюдения показывают, что они могут быть прямо противоположными — твердыми и хрупкими — и ломаться скорее как сухая паста». Это открытие объясняет, почему проблема проникновения дендритов сохраняется даже при использовании твердых электролитов высокой твердости. Команды из Технологического института Нью-Джерси и Технологического института Джорджии впоследствии с помощью моделирования, связывающего масштабы, подтвердили, что наноразмерное SEI-покрытие, обволакивающее дендриты, является ключевым фактором, повышающим их жесткость и склонность к хрупкому разрушению.
Это исследование не только переопределяет научное понимание механических свойств литиевых дендритов, но и указывает направление для последующих исследований. Син Лю отметил: «Понимание лежащей в основе физики может дать новое представление о том, как сделать дендриты менее склонными к хрупкому разрушению — например, с использованием литий-сплавных анодов». Подавление хрупкого разрушения путем регулирования роста литиевых дендритов может стать эффективной стратегией для повышения безопасности и срока службы литий-металлических батарей.
Детали публикации: Авторы: Цин Ай и др. Название: «Прочные и хрупкие литиевые дендриты», опубликовано в: Science (2026). Информация о журнале: Science
