Дослідники з Max Planck Institute for Sustainable Materials зробили важливий крок до розуміння того, чому твердотільні батареї, які вважаються майбутнім енергетики, досі не стали масовими. Їхнє відкриття пояснює, як саме виникають внутрішні пошкодження, що призводять до коротких замикань у таких акумуляторах.
Твердотільні батареї давно привертають увагу як альтернатива звичним літій-іонним рішенням. Вони обіцяють більшу ємність, довший термін служби та вищу безпеку, адже замість рідкого, легкозаймистого електроліту використовують твердий керамічний матеріал. Проте одна серйозна проблема гальмує їхній розвиток — поява так званих Lithium dendrites.
Ці мікроскопічні структури формуються під час заряджання батареї. Вони ростуть від електрода та можуть буквально «пробивати» твердий електроліт, створюючи внутрішні короткі замикання. Раніше вважалося, що причина цього — витік електронів, які спричиняють утворення нових відкладень літію всередині матеріалу. Але нове дослідження показало іншу картину.
Вчені виявили, що справа не у витоку електронів, а у внутрішньому тиску. Під час росту дендритів у літії накопичується напруження, яке зрештою стає настільки сильним, що буквально розриває керамічний бар’єр. І це виглядає парадоксально, адже сам літій — дуже м’який метал.
Проте в замкнутому мікроскопічному просторі навіть м’який матеріал може діяти як потужний інструмент. Дослідники порівнюють цей процес із водяним струменем, який здатен різати камінь: справа не в твердості, а в тиску та концентрації сили.
Щоб підтвердити свої висновки, команда провела серію складних експериментів у вакуумі та при наднизьких температурах. Це дозволило виключити вплив зовнішніх факторів, таких як волога чи кисень, і точно простежити, що відбувається всередині батареї. У результаті вони не знайшли доказів утворення літію попереду дендритів, що остаточно спростувало попередні гіпотези.
Це відкриття відкриває нові можливості для вдосконалення батарей. Зокрема, інженери вже розглядають варіанти створення більш міцних електролітів, здатних витримувати внутрішній тиск, а також використання спеціальних покриттів і мікроструктур, які можуть змінювати напрямок росту дендритів або запобігати їх появі.
Якщо ці рішення спрацюють, це може значно прискорити появу нових поколінь акумуляторів — більш безпечних смартфонів, електромобілів із більшим запасом ходу та довговічних енергетичних систем. Водночас дослідження підкреслює важливу річ: навіть добре відомі матеріали можуть поводитися зовсім інакше на мікрорівні. І саме такі деталі часто стають ключем до технологічних проривів, які змінюють цілі індустрії. Дослідження було опубліковано в журналі Nature.