Хрупкая керамика против лития: почему ломаются твердотельные батареи

Исследователи из Института Макса Планка обнаружили, что твердотельные аккумуляторы выходят из строя из-за критических механических нагрузок. Пока литий кристаллизуется в узких порах, он создает давление, способное расколоть даже прочный керамический электролит, что неизбежно приводит к короткому замыканию. Это открытие меняет подход к разработке элементов питания для будущего транспорта.

Твердотельные батареи долгое время считались безопасным и энергоемким будущим электроники. В отличие от привычных литий-ионных элементов с жидким наполнением, здесь используется плотный керамический слой. Однако на практике такие устройства оказались крайне уязвимыми: при зарядке внутри формируются дендриты — тонкие иглы металлического лития, которые буквально прошивают защиту.

До публикации в Nature физики полагали, что разрушение происходит в основном из-за электронных утечек в местах дефектов материала. Новые данные, полученные с помощью криогенной электронной микроскопии, перевернули это представление. Выяснилось, что даже мягкий литий при росте в ограниченном пространстве действует как мощный гидраврический пресс. Напряжение в точках контакта достигает таких значений, что керамика дает микротрещины, превращаясь в решето.

Чтобы подтвердить гипотезу, ученые провели серию тестов в глубоком вакууме. Это позволило исключить влияние кислорода и влаги, которые могли бы исказить результаты. Отсутствие скоплений лития непосредственно перед фронтом растущего дендрита подтвердило: разрушение носит именно механический характер.

Теперь инженерам придется пересмотреть подход к созданию аккумуляторов. Одной коррекции химического состава недостаточно — необходимо управлять физическим сопротивлением материалов и создавать специальные интерфейсные слои, которые смогут амортизировать рост металла. Только так твердотельные накопители смогут выйти за пределы лабораторий и попасть в серийные электромобили.