Твердотельные батареи обещают значительно большую емкость и безопасность по сравнению с литий-ионными. Смартфоны могли бы работать несколько дней без подзарядки, а запас хода электромобилей вырос бы втрое. Но коммерческому внедрению мешала одна проблема: во время зарядки в батарее образуются дендриты — древовидные структуры из лития, которые прорастают сквозь твердый электролит и замыкают цепь.

Изображение: ScienceDaily

Группа ученых под руководством доктора Ювэя Чжана из Института устойчивых материалов Общества Макса-Планка в Германии поставила эксперимент, чтобы проверить две гипотезы. Согласно первой, внутреннее напряжение в дендритах раскалывает электролит. Согласно второй, электроны просачиваются по границам зерен керамики и способствуют образованию литиевых зародышей, которые потом соединяются.

Ученые приготовили образцы в вакууме при криогенных температурах, чтобы исключить влияние кислорода, воды и электронного пучка микроскопа. Они изучили внутреннее напряжение и пластическую деформацию дендритов, застрявших в трещинах. Анализ показал отсутствие скопления лития перед кончиком дендрита. Это исключило вторую гипотезу.

Ученые обнаружили скрытое свойство галлия спустя почти 150 лет после его открытия

Выяснилось, что мягкий литий, похожий по консистенции на жевательного мишку, проникает сквозь жесткую керамику как непрерывная водяная струя, которая пробивает камень. Гидростатическое напряжение в дендрите вызывает хрупкое разрушение электролита. Выводы подтвердили фазово-полевым моделированием и дифракцией электронов. Теперь команда ученых ищет способы остановить разрушение: сделать керамику более вязкой, ввести микроскопические пустоты для перенаправления дендритов или нанести защитные покрытия на литиевые электроды.