Ученые нашли решение главной проблемы твердотельных аккумуляторов

Ученые выяснили, почему одна из главных проблем твердотельных аккумуляторов нового поколения приводит к их выходу из строя. Credit: Shutterstock

Смартфоны, электромобили и множество портативных устройств зависят от аккумуляторов. По мере роста спроса на более эффективное хранение энергии, улучшение емкости, срока службы и безопасности батарей будет играть ключевую роль в будущем электрификации. Одной из самых перспективных технологий является твердотельный аккумулятор, который может позволить смартфонам работать несколько дней без подзарядки, а электромобилям — проезжать в три раза больше, чем многие современные модели.

В отличие от обычных литий-ионных аккумуляторов, где между двумя твердыми электродами находится жидкий электролит, твердотельные батареи заменяют жидкость на твердый электролит. Такая конструкция дает ряд преимуществ: более высокую плотность энергии, повышенную безопасность и увеличенный срок службы. Однако одна упорная проблема замедляла коммерческое внедрение. Во время зарядки на литиевом аноде могут расти крошечные древовидные структуры — дендриты, которые протыкают твердый электролит и вызывают внутреннее короткое замыкание.

Теперь междисциплинарная команда из Института устойчивых материалов Макса Планка (MPI-SusMat) точно определила, как эти дендриты вызывают трещины, которые в конечном итоге приводят к отказу батареи. Результаты были опубликованы в журнале Nature.

Как дендриты разрушают твердотельные аккумуляторы

То, как мягкие литиевые дендриты умудряются пробить твердый керамический электролит, долгое время озадачивало исследователей.

«Хотя электроды и формирующиеся дендриты состоят из металлического лития, который мягкий, как мармеладный мишка, дендриты способны проникать в керамический электролит и вызывать короткое замыкание, — говорит доктор Ювэй Чжан, первый автор новой публикации и руководитель группы «Хемо-механика материалов для аккумуляторов» в MPI-SusMat. — Как мягкие дендриты могут разрушить жесткую твердую керамику? Есть две гипотезы: либо внутри дендритов накапливается внутреннее напряжение, вызывающее механическое разрушение твердого электролита, либо электроны просачиваются вдоль границ зерен твердого электролита, способствуя образованию ядер лития, которые впоследствии соединяются».

Чтобы определить, какое объяснение верно, исследователи использовали передовую комбинацию методов подготовки образцов и характеризации материалов. Каждый шаг выполнялся в вакууме и при криогенных температурах, чтобы исключить влияние кислорода, воды или даже электронных пучков микроскопов.

Команда изучила как внутреннее напряжение, так и пластическую деформацию литиевых дендритов, запертых внутри трещин. Анализ не выявил скопления лития перед кончиком дендрита, что исключило один из предложенных механизмов.

«Мягкий металлический литий способен проникать в жесткий керамический электролит, подобно непрерывной водяной струе, проникающей в скалу. Мы подсчитали, что гидростатическое напряжение в дендрите в конечном итоге приводит к хрупкому разрушению твердого электролита», — говорит Чжан.

Исследователи также подтвердили свои выводы с помощью фазополевого моделирования и измерений дифракции обратно рассеянных электронов.

Новые стратегии предотвращения отказа батареи

Обладая лучшим пониманием того, как дендриты разрушают твердые электролиты, команда теперь изучает способы остановить или замедлить этот процесс.

Потенциальные решения включают повышение прочности твердого электролита, чтобы он дольше сопротивлялся растрескиванию, внедрение микроскопических пустот, которые перенаправляют рост дендритов и отводят трещины от уязвимых участков, или нанесение защитных покрытий на литиевые электроды для уменьшения образования дендритов в первую очередь.

Исследователи отмечают, что их работа демонстрирует важность понимания поведения материалов на микроскопическом уровне. Эти знания могут помочь превратить твердотельные аккумуляторы из многообещающей концепции в практическую технологию для будущих смартфонов, электромобилей и других электронных устройств.

Источники:

Материалы предоставлены Max-Planck-Gesellschaft.

Yuwei Zhang, Soroush Motahari, Eric V. Woods, Stefan Zaefferer, Peter Schweizer, Zhiyuan Zhang, Yuqi Liu, Baptiste Gault, Franz Roters, Dierk Raabe, Christina Scheu, Yug Joshi, Siyuan Zhang, Chuanlai Liu, Gerhard Dehm. Mechanically driven Li dendrite penetration in garnet solid electrolyte. Nature, 2026; 652 (8111): 912 DOI: 10.1038/s41586-026-10415-9