Исследователи Мюнхенского технического университета опровергли фундаментальное убеждение о безопасности литиевых батарей, обнаружив, что опасные дендритные образования могут возникать глубоко внутри полимерных электролитов — тех самых материалов, которые предназначены для предотвращения формирования таких опасных структур.Исследование, опубликованное в Nature Communications 3 ноября 2025 года, показывает, что литиевые дендриты — игольчатые металлические структуры, которые могут вызывать разрушительные короткие замыкания, пожары или взрывы — не ограничиваются поверхностями электродов, как предполагалось ранее. Вместо этого эти разрушительные образования могут расти по всему объёму полимерных электролитов, что ставит под сомнение десятилетия исследований батарей и протоколов безопасности.
Революционный метод обнаружения раскрывает скрытую опасность
Используя новаторские эксперименты по нанофокусному широкоугольному рассеянию рентгеновских лучей в Немецком электронном синхротроне DESY в Гамбурге, исследовательская группа впервые визуализировала микроскопические изменения внутри работающих батарей. Метод использовал рентгеновский луч диаметром всего 350 нанометров для исследования полимерных электролитов во время работы батареи в режиме реального времени.
«До сих пор предполагалось, что рост дендритов происходит только на границе раздела между электродом и электролитом», — объяснил профессор Петер Мюллер-Бушбаум, возглавляющий исследовательскую группу на кафедре функциональных материалов ТУМ. «Тот факт, что это также происходит вдали от этой границы раздела, удивил нас».
Ведущий исследователь Фабиан Апфельбек, докторант-физик, финансируемый кластером передового опыта e-conversion, подчеркнул значимость результатов: «Наши измерения показывают, что рост дендритов может также происходить непосредственно внутри полимерного электролита — прямо в материале, который на самом деле должен защищать от дендритов».
Последствия для безопасности аккумуляторов следующего поколения
Открытие имеет особое значение для твердотельных батарей, которые позиционировались как более безопасная альтернатива жидким электролитам, поскольку они не могут протекать или воспламеняться. Электролиты на основе полимеров были специально выбраны за их стабильность и способность разделять электроды, предотвращая короткие замыкания.[1][2][3]
Результаты исследовательской группы напрямую противоречат этому предположению о безопасности, потенциально влияя на разработку литий-металлических батарей следующего поколения, которые обещают более высокую плотность энергии для электромобилей и бытовой электроники.
«Эти новые знания помогают нам разрабатывать — и в дальнейшем улучшать — материалы, в которых такие внутренние процессы кристаллизации не происходят изначально — обеспечивая более эффективное, безопасное и долговечное хранение энергии», — отметил Мюллер-Бушбаум.
Исследование было проведено в рамках кластера передового опыта TUM e-conversion при поддержке Немецкого исследовательского фонда, Баварской исследовательской сети Solar Technologies Go Hybrid и Центра Гельмгольца Hereon. Исследование предоставляет важнейшую информацию для разработки действительно безопасных технологий твердотельных батарей, поскольку отрасль движется к коммерциализации этих передовых систем хранения энергии.
Комментарий редакции блога.
Твердотельные батареи тоже могут взрываться, хотя и считаются в целом более безопасными по сравнению с традиционными литий-ионными батареями с жидким электролитом. Основные причины риска взрыва в твердотельных батареях связаны с особенностями материалов и конструкций:
- Твердотельные батареи используют твердые электролиты, которые не воспламеняются, что значительно снижает риск возгорания и теплового разгона. Однако некоторые материалы, например сульфиды в качестве электролитов, при высоких температурах могут становиться источником химической нестабильности и даже горения литиевого металла, что приводит к пожарам и потенциальным взрывам.
- Важной проблемой остаётся формирование дендритов — металлических игольчатых наростов лития, которые могут расти внутри твердого электролита и вызвать внутреннее короткое замыкание и взрыв, как и в классических батареях.
- Хотя твердотельные батареи устойчивы к утечкам и воспламеняемости жидких электролитов, внутренние химические реакции, а также перегрев или повреждения могут спровоцировать тепловой разгон и последующий взрыв.
- Современные исследования показывают, что обеспечение полной безопасности твердотельных батарей требует комплексного подхода, включающего выбор устойчивых материалов, управляющую электронику и системы теплового контроля.
Таким образом, твердотельные батареи обладают повышенной безопасностью благодаря отсутствию легковоспламеняющихся жидких компонентов, но они не гарантируют абсолютную безопасность и при определённых условиях могут взрываться, как и традиционные литиевые аккумуляторы.
Источник публикации в блоге
https://www.tum.de/en/news-and-events/all-news/press-releases/details/preventing-dangerous-short-circuits-in-lithium-batteries
Комментариев нет:
Отправить комментарий