Литий дендриттерінің механикалық қасиеттерін зерттеу

Аккумуляторларда дендриттердің түзілуі мен қауіптілігі

Литий-ионды аккумуляторларда дендрит деп аталатын наноқұрылымды түзілімдер пайда болуы мүмкін. Бұл құрылымдар қысқа тұйықталуға, батареяның істен шығуына немесе тіпті өздігінен жануына әкелуі ықтимал. Дендриттер – зарядтау кезінде анодтан өсетін, аккумулятор ішінде пайда болатын жіңішке металл тікенектер. Литийдің теріс электрод бетіне біркелкі таралуының орнына, металл осындай құрылымдар түрінде жиналып, біртіндеп батареяның ішіне ене бастайды.

Электродтар арасындағы жұқа сепаратор дендриттердің әсерінен зақымдалуы мүмкін, бұл анод пен катодтың жанасуына, қысқа тұйықталуға, қызуға және аккумулятордың бұзылуына әкеледі. Кей жағдайларда бұл батареяның жарылуына немесе өртке себеп болады. Тіпті жеңіл салдарларда да дендриттердің бөлшектері аккумуляторда энергия жинауға қатыспайтын «өлі литийге» айналады.

Дендриттердің механикалық қасиеттері

Дендриттер адам шашынан шамамен 100 есе жіңішке. Олардың айналасында қатты электролиттік аралық қабықша (SEI) түзіледі, бұл дендриттерді қатайтып, аккумулятор компоненттерін тесуге қабілетті етеді. Жүктеме түскенде мұндай құрылымдар сынып, «өлі литийге» айналады, бұл батареяның сыйымдылығын төмендетеді.

Бұрын литийдің көп мөлшерде пластик әрі жұмсақ деп есептелген, сондықтан дендриттер де сондай қасиетке ие болады деп ойлаған. Алайда тәжірибелер дендриттердің мүлде басқаша – олар кейде сынғыш әрі құрғақ спагетти секілді үзіліп кететінін көрсетті.

Зерттеудің жаңа әдістері

Сингапур мен АҚШ-тың бірнеше университетінен құралған халықаралық зерттеушілер тобы, оның ішінде Нью-Джерси технологиялық институты, жұмыс істеп тұрған аккумуляторлардан дендриттерді жинап, олардың механикалық қасиеттерін зерттеуге арналған арнайы платформалар жасады. Бұл үшін литийдің оттегімен жанасуынан болатын химиялық өзгерістерді болдырмау мақсатында герметикалық кеңістіктер құрылып, жоғары ажыратымдылықтағы электрондық микроскопия қолданылды.

Әртүрлі масштабтағы модельдеу литий дендриттерінің ерекше механикалық қасиеттерінің себебін түсіндіруге мүмкіндік берді. Зерттеу нәтижесінде олардың сынғыштығы қатты электролиттік интерфейс пен нано-деңгейдегі қатайтумен байланысты екені анықталды.

Дендриттердің өсуін болдырмау перспективалары

Дендриттердің түзілу физикасын түсіну олардың аккумуляторларға зиянды әсерін болдырмаудың жаңа жолдарын ашады. Зерттеушілер SEI-қабықшасының түзілуін тежеу, ол дендриттерді қатайтатындықтан, сондай-ақ литий қорытпаларынан жасалған анодтарды қолдану арқылы сынғыш бұзылуға бейімділікті азайту мүмкіндігін қарастыруда.

Алынған нәтижелер дендриттердің енуі мен «өлі литийдің» түзілуінің балама механизмдерін, сондай-ақ литий-металл аккумуляторларын жобалау стратегиялары бойынша ұсыныстар береді. Бұл жаңалықтар дендриттердің аккумуляторларға зиянды әсерін болдырмау әдістерін әзірлеуге маңызды қадам болып табылады.