Ученые раскрыли механизм деградации твердотельных аккумуляторов и нашли способ продлить их срок службы

Твердотельные аккумуляторы считаются одним из наиболее перспективных направлений развития накопителей энергии. По сравнению с традиционными литий-ионными батареями они способны обеспечить более высокую плотность энергии, лучшую пожаробезопасность и потенциально больший срок службы. Однако их широкому внедрению мешает образование металлических литиевых дендритов — микроскопических игольчатых структур, которые постепенно прорастают через электролит, вызывают короткие замыкания и выводят аккумулятор из строя.

До настоящего времени основное внимание исследователей было сосредоточено на границе между электродом и электролитом. Новая работа показала, что не менее важную роль играют внутренние границы между кристаллическими зернами самого электролита.

Твердые электролиты представляют собой материал, состоящий из множества микроскопических кристаллов. На стыках этих зерен возникают локальные электрические заряды, формирующие пространственные электрические поля. Именно они, как выяснили ученые, препятствуют движению ионов лития, одновременно способствуя накоплению электронов. В результате электроны восстанавливают ионы лития до металлического состояния, создавая центры зарождения дендритов.

Для проверки своей гипотезы исследователи изучили распространенный твердотельный электролит на основе литий-лантан-цирконата (LLZO). Они объединили электронную микроскопию, моделирование с использованием машинного обучения и электрохимическую импедансную спектроскопию, что позволило подробно исследовать электрические процессы на границах зерен.

После этого ученые изменили технологию обработки материала таким образом, чтобы уменьшить отрицательный заряд на границах между кристаллами. Это позволило облегчить перенос ионов лития через электролит и одновременно сократить утечку электронов — главный фактор образования металлических дендритов.

Результат оказался весьма заметным: критическая плотность тока нового материала увеличилась более чем на 300% по сравнению с исходным образцом. Более высокая критическая плотность тока означает возможность более быстрой зарядки и разрядки аккумулятора без риска разрушения электролита и образования короткого замыкания.

По словам авторов исследования, полученные результаты открывают новое направление в разработке твердотельных батарей. Вместо борьбы с уже возникшими дендритами инженеры смогут предотвращать их образование еще на этапе проектирования структуры электролита.

Исследователи также отмечают, что предложенный подход способен повысить не только срок службы, но и безопасность аккумуляторов. Контроль электрических процессов на границах зерен позволяет снизить вероятность внутренних коротких замыканий — одной из основных причин отказов и возгораний современных накопителей энергии.

Авторы считают, что полученные результаты станут основой для создания нового поколения твердотельных аккумуляторов с более высокой энергоемкостью, ускоренной зарядкой и существенно увеличенным ресурсом работы, что особенно важно для электромобилей, авиации и стационарных систем хранения энергии.