Литиевые аккумуляторы отучили взрываться

Современные аккумуляторы состоят из трёх частей — катода, анода и электролита. Первый играет роль положительного полюса и источника энергии, второй — отрицательного, а электролит позволяет носителям заряда передвигаться между катодом и анодом. Мощность аккумуляторов напрямую зависит от состава катода, а их долговечность — от того, как сильно разрушается материал электролита и катода при циклах перезарядки.

От компонентов батареи зависит и то, насколько они опасны для человека. К примеру, многие типы современных литий-ионных аккумуляторов взрываются из-за того, что при перегреве в них начинают возникать короткие замыкания. Они ещё больше нагревают аккумулятор и испаряют электролит, превращая его в пузырьки горячего газа. Эта цепная реакция раскаляет внутренности батареи до температуры примерно в тысячу градусов Цельсия.

Как результат, скапливающийся газ разрывает корпус аккумулятора и происходит взрыв, выбрасывающий расплавленное содержимое батареи наружу. Эти процессы, как выяснили учёные, связаны с формированием тонких и длинных нитей из лития, которые могут проникать через электролит и барьер между катодом и анодом. В некоторых случаях они соединяют их между собой, формируя короткое замыкание и провоцируя взрыв.

Чтобы понять, как формируются такие нити, учёные сконструировали «нанобатарею», в которой роль анода играло жало атомно-силового микроскопа, а катода — кусочек лития. Пропуская ток через анод и поднимая его, исследователи помогали формироваться литиевым нитям на катоде и заставляли их расти в сторону жала атомно-силового микроскопа. Кроме того, параллельно изучали их структуру и наблюдали за манерой роста.

Опыты помогли раскрыть несколько важных особенностей этого процесса, которые нужно учитывать при создании действительно полностью безопасных литий-ионных батарей, а также первых полноценных аккумуляторов на базе чистого лития. Нити растут со скоростью 250 нанометров в секунду в сторону противоположно заряженного электрода. Место их формирования и манера движения сильно зависят от структуры кристаллов лития, наличия соединений углерода в электролите и устройства поверхности самих электродов.

Знание этих особенностей позволяет предсказывать манеру роста нитей и предотвращать их контакт с анодом или катодом. Учёные сумели подавить формирование нитей, добавив в электролит циклогексанон — слаботоксичное соединение кислорода и бензола. Дальнейшие наблюдения за ростом нитей из лития помогут подобрать более эффективные способы борьбы с ними и создать действительно безопасные аккумуляторы.