Исследовательская группа Корейского института передовых технологий (KAIST) в наномасштабе четко проследила весь процесс деградации литиевого анода внутри литий-металлического аккумулятора и определила коренную причину снижения его производительности. Это важное достижение, как ожидается, ускорит коммерциализацию литий-металлических батарей. Соответствующая статья опубликована в последнем номере журнала ACS Energy Letters, издаваемого Американским химическим обществом.

Литий-металлический аккумулятор — это новый тип батареи, в котором в качестве материала отрицательного электрода используется металлический литий. Его ключевое преимущество — чрезвычайно высокая плотность энергии, теоретически вдвое превышающая показатели традиционных литий-ионных аккумуляторов. Однако быстрое падение производительности после многократных циклов заряда-разряда всегда было главным препятствием для его выхода на рынок. В частности, когда литий осаждается или растворяется неравномерно, образуется так называемый «мертвый литий» — часть лития, потерявшая электрический контакт с электродом, что не только снижает производительность батареи, но и создает угрозу безопасности.

С помощью in situ электрохимической атомно-силовой микроскопии команда в реальном времени отследила полный процесс осаждения и растворения лития и подтвердила, что реакция лития протекает не равномерно по всей поверхности батареи, а избирательно и незаметно происходит в определенных местах. Дальнейшие наблюдения показали, что в слабых, шероховатых и пористых участках поверхности батареи процесс растворения с высокой вероятностью оставляет микроскопические пустоты. Именно эти пустоты порождают электрически изолированный «мертвый литий», становясь «главным виновником» резкого падения производительности батареи.

Ценность этого исследования заключается в том, что впервые экспериментально точно определены место и способ повреждения литий-металлического аккумулятора. Что еще более важно, оно доказывает, что «начальная морфология» лития, формирующаяся на самой ранней стадии, является ключевой переменной, определяющей долгосрочный срок службы батареи. Основываясь на этом открытии, если в будущем удастся равномерно и точно контролировать поверхность при осаждении лития, можно ожидать значительного увеличения как срока службы, так и стабильности батарей. Это указывает на путь проектирования, позволяющий одновременно увеличить запас хода электромобилей и разработать долговечные аккумуляторы.