Прошло исследование: рост лития внутри батареи может грозить проблемой

В литий-ионных аккумуляторах соль растворяется в электролите, а основную функцию выполняет металлический компонент. Ранее считалось, что соль является пассивным элементом, однако современные исследования показали, что модификация её состава может существенно влиять на процессы кристаллизации металла, в частности, на образование дендритных структур, вызывающих короткое замыкание.

Под руководством профессора Чжиюаня Цзэна из Городского университета Гонконга была разработана герметичная ячейка, позволяющая наблюдать за начальными стадиями роста лития на катоде с высокой степенью детализации. Результаты данного исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications.

Ранее существовавшие экспериментальные установки не позволяли фиксировать ранние стадии кристаллизации лития из-за недостаточной разрешающей способности и значительного количества интерферирующих слоев. Ячейка профессора Цзэна, оснащенная окнами размером всего 35 нанометров, позволила визуализировать первые частицы металлического лития и провести сравнительный анализ трех различных солей лития.

Каждая из исследуемых солей состоит из катиона лития и аниона, который оказывает влияние на морфологию кристаллизующихся структур. Соль, не содержащая фтора, продемонстрировала неравномерный рост лития с образованием дендритных структур, что приводило к пробою электролитной мембраны и короткому замыканию.

Микроскопический анализ выявил, что причина данного явления заключается в формировании тонкой, мягкой и нестабильной пленки на границе раздела литий-электролит. Неравномерный рост лития приводил к её разрушению и образованию дендритов.

Соль, наиболее широко используемая в современных литий-ионных аккумуляторах, показала значительно лучшие результаты. В данном случае литий осаждался в виде гладких, равномерно распределенных структур без образования дендритных дефектов.

Третья исследованная соль, LiTFSI (литий-тетрафторборат), продемонстрировала уникальную двухслойную структуру: внутренний слой обладает высокой жесткостью, в то время как внешний слой остается мягким. Это позволяет литию расти в боковом направлении, что существенно снижает внутренние напряжения в системе.

Компьютерное моделирование подтвердило, что различия в морфологии кристаллизации лития обусловлены спецификой анионов солей. В частности, отсутствие фтора в составе соли приводит к невозможности формирования прочного фторидного соединения, что снижает стабильность электролитной мембраны. Фторсодержащие соли, напротив, легко распадаются, высвобождая фтор и обеспечивая формирование прочной, устойчивой пленки.

Моделирование также показало, что пленки, не содержащие фтора, имеют тенденцию к образованию острых, локализованных дефектов, что способствует неравномерному росту лития и формированию дендритных структур. Фторсодержащие пленки, напротив, обеспечивают равномерное распределение напряжений и способствуют формированию более стабильных, гладких кристаллических структур.

Экспериментальные данные подтвердили эффективность использования фторсодержащих солей. Батареи, содержащие LiTFSI, продемонстрировали значительно более высокую долговечность, функционируя в течение более 500 часов. При этом эффективность циклов заряда-разряда составила 92%, в то время как батареи с безфторной солью теряли более 60% лития за один цикл.

Таким образом, данное исследование подчеркивает важность использования фторсодержащих солей и двухслойных структур для повышения стабильности и долговечности литий-ионных аккумуляторов. Полученные результаты открывают новые перспективы для разработки более совершенных батарей и оптимизации их эксплуатационных характеристик.