Революция в батареях: как тепло решает проблему дендритов

Инженеры из Университета Брауна представили новый, многообещающий метод борьбы с дендритными наростами в твердотельных литиевых батареях нового поколения. Этот подход, основанный на создании температурного градиента, показал трехкратное увеличение критической плотности тока, открывая путь к более эффективным и безопасным источникам энергии.

Твердотельные батареи считаются следующим этапом развития технологий хранения энергии, особенно для электромобилей. Они обещают более быструю зарядку, увеличенный запас хода и повышенную безопасность по сравнению с современными батареями с жидким электролитом благодаря сниженной воспламеняемости. Однако широкое внедрение этих батарей сдерживает давняя проблема — литиевые дендриты.

Дендриты — это нитевидные образования металлического лития, которые могут формироваться в электролите батареи (прослойке между анодом и катодом) во время зарядки при высоких токах. При прорастании через электролит они замыкают анод и катод, что приводит к выходу батареи из строя. Таким образом, несмотря на теоретические преимущества твердых электролитов для ускоренной зарядки, проблема дендритов остается основным препятствием на пути к их коммерциализации.

Решение, основанное на температуре

Исследование, опубликованное в журнале Joule, демонстрирует удивительно простой способ противодействия росту дендритов. Ученые выяснили, что механическое напряжение, возникающее из-за разницы температур по обе стороны электролита, может значительно подавлять образование дендритов, обеспечивая существенное улучшение производительности зарядки без их образования.

«Дендриты — одна из самых серьезных проблем, сдерживающих развитие твердотельных батарей нового поколения», — отмечает Зиканг Ю, аспирант инженерного факультета Брауна и ведущий автор исследования. «Однако мы показываем, что механическое напряжение, индуцированное температурой, эффективно подавляет их. Мы можем добиться трехкратного улучшения производительности зарядки элемента, используя всего 20-градусный температурный градиент».

Ход эксперимента

В рамках исследования ученые, входящие в Инициативу устойчивой энергетики Брауна, тестировали аккумуляторные системы с литиевыми металлическими электродами, разделенными твердым электролитом LLZTO (Li₆.₄La₃Zr₁.₅Ta₀.₅O₁₂). Этот материал известен своей высокой ионной проводимостью, но при этом он уязвим к образованию дендритов при высоких скоростях зарядки. Исследователи нагревали одну сторону электролита с помощью керамического нагревательного кольца, а другую охлаждали медным радиатором.

«Когда что-то нагревается, оно расширяется», — поясняет Брайан Шелдон, профессор инженерии и автор исследования. «Но если одна сторона нагревается сильнее другой, расширение ограничивается холодной стороной, что приводит к сжатию. В этом вся суть».

Тестирование показало, что такое термическое сжатие значительно снизило проникновение дендритов, даже в материале, склонном к их образованию. При приложении сжатия критическая плотность тока электролита LLZTO — максимальный ток зарядки, который он может выдержать без отказа — увеличилась в три раза.

Перспективы для будущих батарей

Ю выразил надежду, что эта работа может указать на практическое решение проблемы дендритов в твердотельных батареях. «Мы считаем, что есть потенциал для внедрения этого метода в практические элементы», — сказал Ю. «При каждой цикличности батареи выделяется тепло, и существуют системы терморегуляции для управления этим процессом. Мы думаем, что можно будет спроектировать тепловую архитектуру таким образом, чтобы создавать градиенты, подобные тем, которые мы получили в нашей работе».

Ченджие Ган, аспирант-инженер и соавтор исследования, работавший над теоретической частью, отметил, что многообещающие результаты побудили команду продолжить изучение их подхода. «Этот эксперимент подтвердил нашу теоретическую работу», — сказал Ган. «Теперь мы можем думать о предложении оптимальных свойств материалов и условий нагрузки для полного использования этого эффекта. Это и есть будущие направления нашей работы».