Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Массачусетского технологического института (MIT) и Мюнхенского технического университета (TUM) точно определила коренную причину образования дендритов в твердотельных аккумуляторах и предложила метод их подавления.
Команда обнаружила, что дендриты в твердотельных аккумуляторах возникают из-за скрытого электрического дисбаланса на границах контакта зерен электролита. Эти электрические дисбалансы блокируют ионы лития и захватывают утекающие электроны, нарушая нормальную проводимость заряда. Настроив процесс обработки электролита, исследователи минимизировали эти электрические ловушки, эффективно уменьшив утечку электронов. Эта корректировка повысила критическую плотность тока материала более чем на 300%, что открывает путь к более быстрой зарядке и более долговечным твердотельным аккумуляторам.
Твердотельные аккумуляторы заменяют жидкий электролит в литий-ионных батареях на твердый керамический или полимерный электролит. Однако на практике их развитию препятствует проблема коротких замыканий, вызванных дендритами. Дендриты — это крошечные игольчатые образования металлического лития, которые прорастают сквозь твердый электролит. Твердый электролит состоит из миллиардов плотно упакованных микронных монокристаллов (зерен), разделенных микроскопическими границами зерен. Долгое время подозревали, что эти границы обладают уникальными химическими и электрическими свойствами, блокируя ионы, пропуская электроны и вызывая короткозамыкающие дендриты, однако точный механизм, управляющий этим разрушительным взаимодействием, ранее оставался неясным.
В этом исследовании ученые раскрыли механизм помех, моделируя, как локальный электрический дисбаланс на границах зерен нарушает движение заряда. Они протестировали материал твердого электролита — литий-лантан-цирконат (LLZO) — с помощью электронной микроскопии, машинного обучения и передовых спектроскопических методов. Результаты показали, что ядра границ зерен несут локальный заряд, который блокирует ионы лития и одновременно захватывает электроны. Накопление электронов уменьшает заряд соседних ионов лития, вынуждая их затвердевать в металлические дендриты, разрушающие аккумулятор. Основываясь на этих выводах, исследователи скорректировали условия обработки электролита LLZO, чтобы минимизировать отрицательный заряд на границах зерен. Модифицированный электролит позволил ионам лития быстро проходить, одновременно подавляя утечку электронов. Это исправление оказалось весьма эффективным: критическая плотность тока, выдерживаемая новым материалом, более чем на 300% превысила показатели стандартных образцов без образования дендритов. Исследование возглавил профессор кафедры материаловедения и инженерии MIT Гарри Таллер (Harry Tuller), результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
