Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Департамента энергетики США обнаружили первопричину роста игольчатых структур, известных как дендриты и усы, которые поражают литиевые батареи, иногда вызывая короткое замыкание, сбой или даже пожар. Статья об этом опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Дендриты — это крошечные жесткие древовидные структуры, которые могут расти внутри литиевой батареи. Их игольчатые выступы называются усы. Оба вида структур причиняют огромный вред, в частности они могут пробить сепаратор внутри батареи, так же, как сорняк может проткнуть бетон внутреннего дворика или мощеную дорогу. Они также увеличивают нежелательные реакции между электролитом и литием, ускоряя отказ батареи. Дендриты и усы сдерживают широкое использование литий-металлических батарей, которые имеют более высокую плотность энергии, чем их литий-ионные аналоги.

Группа американских ученых установила, что происхождение усов в литий-металлической батарее связано с твердоэлектролитной межфазной пленкой. Это структура, в которой твердая литиевая поверхность анода встречается с жидким электролитом. Кроме того, ученые точно определили виновника процесса роста усов. Им оказался этиленкарбонат — незаменимый растворитель, добавляемый в электролит для повышения производительности батареи. Оказалось, что это вещество делает батарею чувствительной к повреждениям.

Ученые также представили видео, которое показывает постепенный рост усов внутри наноразмерной литий-металлической батареи, специально разработанной для исследования. Дендрит начинает образовываться, когда ионы лития сгущаются на поверхности анода. Структура растет медленно по мере того, как все больше и больше атомов лития садятся друг на друга. Это похоже на рост сталагмитов в пещере. Команда обнаружила, что из-за энергетической структуры поверхности твердоэлектролитной межфазной пленки все больше и больше ионов лития начинают садиться на образец, и в итоге усы растут все быстрее и быстрее.

Группа установила, что уровень этиленкарбоната напрямую связан с ростом дендрита и усов. Чем больше материала команда помещала в электролит, тем больше росли усы. Ученые экспериментировали с электролитной смесью, меняя ингредиенты в попытке уменьшить количество дендритов. Некоторые изменения, такие как добавление циклогексанона, препятствовали росту паразитных структур.