Группа ученых-материаловедов и инженеров, связанных с несколькими институтами в Китае, обнаружила, что одной из основных причин выхода из строя твердотельных литиевых батарей со временем является усталость металла в аноде, которая способствует деградации интерфейса и росту дендритов. В своей статье, опубликованной в журнале Science , группа описывает, как они изучали рост дендритов в твердотельных литиевых батареях с помощью сканирующей электронной микроскопии и что происходило с их анодами с течением времени.

Одной из главных целей производителей твердотельных литиевых батарей является сделать их конкурентоспособными по сравнению со стандартными литий-ионными батареями. Такие батареи, как было отмечено, были бы желанным улучшением, поскольку они намного безопаснее и имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем батареи, используемые в настоящее время. К сожалению, такие батареи не служат так долго из-за роста дендритов, которые представляют собой игольчатые структуры, которые накапливаются в литии, вызывая короткие замыкания и выход батареи из строя.

В этой новой работе исследовательская группа стремилась узнать больше о причине дендритного накопления и любых других причинах отказа твердотельных литиевых батарей. Для этого они использовали моделирование фазового поля и сканирующую электронную микроскопию. чтобы более подробно рассмотреть компоненты батареи на различных этапах ее срока службы.

При этом они обнаружили, что усталость металла , возникающая в аноде (из-за расширения и сжатия лития во время зарядки и перезарядки), является основной причиной выхода из строя аккумулятора. Было обнаружено, что такая усталость способствует росту дендритов.

В частности, они обнаружили, что постоянное расширение и сжатие приводит к образованию микропустот и трещин на границе анода и твердотельного электролита, что, в свою очередь, приводит к росту и деградации дендритов — даже при низких плотностях.

Исследователи также обнаружили, что усталость, которую они обнаружили в батареях, соответствует закону Коффина-Мэнсона (уравнение, описывающее поведение малоцикловой усталости), что, как они отмечают, означает, что она присуща природе батареи и предсказуема. Они предполагают, что это дает надежду на нахождение способа предотвращения усталости металла и последующего роста дендритов и возможного отказа батареи.