Новые литий-металлические батареи с твердым электролитом легки, не воспламеняются, содержат много энергии и могут очень быстро заряжаться, но их разработка шла медленно из-за загадочного короткого замыкания и выхода из строя. Теперь исследователи из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC утверждают, что они разгадали эту загадку.

Все дело в напряжении - механическом напряжении, если быть более точным - особенно во время интенсивной перезарядки.

"Всего лишь незначительное вдавливание, изгиб или скручивание батарей может привести к тому, что наноскопические трещины в материалах откроются и литий проникнет в твердый электролит, вызывая короткое замыкание", - объясняет старший автор Уильям Чуех, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Школе инженерии и кафедры энергетических наук и инженерии в новой Стэнфордской школе устойчивого развития имени Доерра.

"Даже пыль или другие примеси, вносимые в процессе производства, могут создать достаточное напряжение, чтобы вызвать отказ", - сказал Чуех, который руководил исследованием вместе с Венди Гу, доцентом машиностроения.

Проблема разрушения твердых электролитов не нова, и многие изучали это явление. Существует множество теорий относительно того, что именно является причиной. Одни говорят, что виноват непреднамеренный поток электронов, другие указывают на химию. Другие предполагают, что в игре участвуют различные силы.

В исследовании, опубликованном 30 января в журнале Nature Energy, соавторы Джефф МакКонохи, Синь Сюй и Тенг Куи объясняют в строгих, статистически значимых экспериментах, как наноразмерные дефекты и механическое напряжение приводят к разрушению твердых электролитов. Ученые всего мира, пытающиеся разработать новые аккумуляторы с твердым электролитом, могут обойти эту проблему или даже обратить открытие себе на пользу, как это сейчас делает большая часть команды из Стэнфорда. Энергоемкие, быстро заряжающиеся, невоспламеняющиеся литий-металлические батареи, которые служат долгое время, могли бы преодолеть основные препятствия на пути к широкому распространению электромобилей, помимо множества других преимуществ.

Многие из ведущих современных твердых электролитов являются керамическими. Они обеспечивают быстрый перенос ионов лития и физически разделяют два электрода, которые накапливают энергию. Самое главное, они пожаробезопасны. Но, подобно керамике в наших домах, на их поверхности могут образовываться крошечные трещины.

Исследователи продемонстрировали с помощью более чем 60 экспериментов, что керамика часто пронизана наноскопическими трещинами, вмятинами и изломами, многие из которых имеют ширину менее 20 нанометров. (Толщина листа бумаги составляет около 100 000 нанометров). Во время быстрой зарядки, по словам Чуэха и его команды, эти присущие керамике трещины открываются, позволяя литию проникать внутрь.

В каждом эксперименте исследователи прикладывали электрический зонд к твердому электролиту, создавая миниатюрную батарею, и использовали электронный микроскоп для наблюдения за быстрой зарядкой в режиме реального времени. Затем они использовали ионный луч в качестве скальпеля, чтобы понять, почему литий скапливается на поверхности керамики в одних местах, как и требуется, а в других местах он начинает проникать все глубже и глубже, пока литий не пересекает твердый электролит, создавая короткое замыкание.

Разница заключается в давлении. Когда электрический зонд просто касается поверхности электролита, литий прекрасно собирается на поверхности электролита, даже если батарея заряжается менее чем за минуту. Однако когда зонд вдавливается в керамический электролит, имитируя механические напряжения вдавливания, сгибания и скручивания, вероятность короткого замыкания батареи возрастает.

Реальная твердотельная батарея состоит из слоев листов катода-электролита-анода, уложенных один на другой. Роль электролита заключается в том, чтобы физически отделить катод от анода, но при этом позволить ионам лития свободно перемещаться между ними. Если катод и анод соприкасаются или каким-либо образом электрически соединены, например, туннелем из металлического лития, происходит короткое замыкание.

Как показали Чуех и его команда, даже едва заметный изгиб, небольшой поворот или пылинка, попавшая между электролитом и литиевым анодом, приведет к образованию незаметных щелей.

"Если дать возможность литию проникнуть в электролит, он в конце концов проложит себе путь, соединив катод и анод", - говорит МакКонохи, который в прошлом году защитил докторскую диссертацию, работая в лаборатории Чуэха, а сейчас работает в промышленности. "Когда это происходит, батарея выходит из строя".

По словам исследователей, новое понимание было продемонстрировано неоднократно. Они записали видео процесса с помощью сканирующего электронного микроскопа - того самого микроскопа, который не смог увидеть зарождающиеся трещины в чистом непроверенном электролите.

Это немного похоже на то, как в идеальном дорожном покрытии появляются выбоины, объяснил Сюй. Во время дождя и снега автомобильные шины вбивают воду в крошечные, уже существующие недостатки дорожного покрытия, создавая все более широкие трещины, которые со временем увеличиваются.

"Литий на самом деле мягкий материал, но, как и в случае с водой в яме, достаточно одного давления, чтобы расширить зазор и вызвать разрушение", - сказал Сюй, постдокторант в лаборатории Чуэ.

С новым пониманием команда Чуэ ищет способы целенаправленного использования этих же механических сил для повышения твердости материала в процессе производства, подобно тому, как кузнец отжигает клинок в процессе производства. Они также ищут способы покрытия поверхности электролита для предотвращения трещин или их устранения в случае их появления.

"Все эти усовершенствования начинаются с одного вопроса: Почему?", - говорит Куи, постдокторант в лаборатории Гу. "Мы - инженеры. Самое важное, что мы можем сделать, это выяснить, почему что-то происходит. Как только мы это узнаем, мы сможем что-то улучшить".