Учёные наконец выяснили, что ломает твердотельные батареи
Учёные из Института устойчивых материалов общества Макса Планка разобрались в одном из ключевых механизмов, из-за которых твердотельные аккумуляторы выходят из строя. Их работа, опубликованная в Nature, показывает, что важную роль в разрушении батарей играют не только электрохимические, но и механические процессы.
Изображение сгенерировано Nano BananaТвердотельные аккумуляторы считаются перспективной заменой обычным литий-ионным батареям: они потенциально безопаснее и могут хранить больше энергии, поскольку вместо жидкого электролита используют твёрдый материал, чаще всего керамический. Однако у такого подхода есть серьёзная проблема — хрупкость электролита и его чувствительность к внутренним напряжениям.
При зарядке на электроде осаждается металлический литий, который может формировать тонкие вытянутые структуры — дендриты. Долгое время считалось, что они прорастают через электролит в основном из-за электронных утечек и роста вдоль дефектов. Новое исследование показывает, что это лишь часть картины.
Оказалось, что в процессе роста лития в ограниченном пространстве накапливаются значительные механические напряжения. Несмотря на то что сам литий — мягкий металл, эти напряжения могут достигать уровней, достаточных для того, чтобы инициировать трещины в твёрдом керамическом электролите. В результате материал разрушается, и возникает проводящий канал, приводящий к короткому замыканию.
Чтобы точно проследить этот процесс, исследователи использовали криогенную электронную микроскопию и проводили эксперименты в вакууме. Это позволило исключить влияние влаги, кислорода и возможных искажений, связанных с воздействием электронного пучка. В рамках этих измерений учёные не обнаружили явных признаков накопления лития перед фронтом роста дендрита, что указывает на важность именно механических эффектов.
Эти результаты не отменяют прежние модели, но дополняют их, показывая, что деградация твердотельных аккумуляторов — это результат сочетания электрохимических и механических факторов.
Практически это означает, что для повышения надёжности таких батарей нужно работать не только с химией материалов, но и с их механическими свойствами. Среди возможных решений — более прочные и стойкие электролиты, специальные интерфейсные слои и управление тем, как именно осаждается литий.
Если эти подходы окажутся эффективными, твердотельные аккумуляторы смогут быстрее перейти от лабораторных разработок к массовому применению — в электронике, электромобилях и системах хранения энергии.
© iXBT
