Дендриты, древовидные литиевые кристаллы, образующиеся на электродах батарей,  быстро (после нескольких перезарядок) снижают емкость элементов питания, а также могут прокалывать мембрану и вызывать короткое замыкание, становясь причиной поломки аккумулятора или даже пожара и взрыва.

Исследовать закономерности роста дендритов удалось физикам Мичиганского университета (U-M), о чем они сообщили в статье для ACS Central Science. Взяв в качестве экспериментального образца батарею следующего поколения – литий-металлическую – ученые проделали в её корпусе окошко, позволившее заснять на камеру процесс развития дендритов.

Их работа позволит поднять безопасность литиевых батарей на новый уровень. Это особенно актуально сейчас, когда предельное уменьшение толщины аккумуляторов в гаджетах, наподобие Samsung Galaxy Note 7, многократно увеличивает потенциальную опасность дендритов.

Литий-серные и литий-воздушные батареи часто называют литий-металлическими так как они имеют металлические электроды. Они могут хранить в 10 раз больше энергии, чем лучшие коммерческие литий-ионные элементы, однако намного больше последних подвержены и возникновению дендритов.

Для того, чтобы запечатлеть дендриты в развитии, ученые поместили аккумулятор с окошком под видеомикроскоп высокого разрешения. С его помощью они могли параллельно отслеживать рост дендритов и изменения разности потенциалов между электродами в ходе зарядки и разрядки, выявлять возможную связь двух процессов.

Под микроскопом было видно, как в течение полного цикла работы элемента питания дендриты сначала появляются на поверхности электрода, затем растут и, подобно растениям осенью, усыхают и осыпаются при выводе ионов лития из электрода. Ученые наблюдали как углубления, остающиеся после выхода ионов, становятся центрами зарождения новых дендритов на следующем цикле.

Было обнаружено, что не все дендриты опасны. Если они небольшие и равномерно покрывают поверхность электрода, больше лития остаётся вовлечено в электрохимическую реакцию и батарея сохраняет стабильность.

«Я не думаю, что существует способ полностью предотвратить рост дендритов, – заявил Нейл Дасгупта (Neil Dasgupta), адъюнкт-профессор U-M. – Но контролируя их рост можно обеспечить долгую эксплуатацию и лучшую безопасность батарей».

Об одном из таких способом авторы планируют рассказать в своей следующей публикации.