Рост лития внутри батареи может грозить проблемой

В литий-ионных аккумуляторах соль играет ключевую роль в составе электролита, однако её важность долгое время не была должным образом оценена. Современные научные исследования продемонстрировали, что модификация состава соли оказывает значительное влияние на процесс кристаллизации металла и формирование дендритных структур, что потенциально может привести к возникновению короткого замыкания.

Профессор Чжиюань Цзэн из Городского университета Гонконга разработал герметичную ячейку, которая позволяет осуществлять детальное наблюдение за процессом роста лития на катоде. Результаты этого исследования были опубликованы в авторитетном научном журнале Nature Communications.

Ранее существовавшие экспериментальные установки не могли зафиксировать начальные стадии кристаллизации из-за ограниченной разрешающей способности и наличия интерферирующих слоёв. Ячейка, разработанная профессором Цзэном, оснащена окнами размером 35 нанометров, что позволило визуализировать первые частицы лития и провести сравнительный анализ свойств трёх различных типов солей.

Соль без фтора демонстрировала неравномерный рост лития, что приводило к пробою мембраны и возникновению короткого замыкания. Это было связано с формированием мягкой и нестабильной плёнки на границе раздела литий-электролит, которая разрушалась вследствие неравномерного роста металла.

Наиболее широко используемая соль показала лучшие результаты: литий осаждался равномерно, без формирования дендритных структур. Третья соль, обозначаемая как LiTFSI, обладала двухслойной структурой, где внутренний слой был жёстким, а внешний — мягким. Такая структура способствовала боковому росту лития, снижая внутренние напряжения.

Компьютерное моделирование подтвердило, что анионы солей оказывают значительное влияние на морфологию кристаллизации. Отсутствие фтора в составе соли снижает стабильность мембраны. Фторсодержащие соли, напротив, легко распадаются, образуя прочную плёнку.

Моделирование также показало, что плёнки без фтора склонны к формированию острых дефектов, что приводит к неравномерному росту лития и образованию дендритных структур. Фторсодержащие плёнки обеспечивают равномерное распределение напряжений, способствуя стабильному росту металла.

Экспериментальные данные подтвердили эффективность использования соли LiTFSI: аккумуляторы, содержащие эту соль, демонстрировали работоспособность в течение более 500 часов с эффективностью 92%. В то же время батареи, использующие соль без фтора, теряли более 60% лития за один цикл.

Исследование подчёркивает значимость фторсодержащих солей и двухслойных структур для обеспечения стабильности и долговечности литий-ионных аккумуляторов. Полученные результаты открывают новые возможности для разработки более совершенных батарей, пишет progorodsamara.ru.