Литий-ионные аккумуляторы – неотъемлемая "начинка" современной техники: от смартфонов до автомобилей. Однако эксплуатация этого эффективного элемента питания чревата весьма серьезными рисками – самовозгоранием или даже взрывом гаджета. Происходит это вследствие образования на поверхности лития дендритов – разветвленных кристаллических отложений. Они постепенно нарастают на поверхности анода при зарядке аккумулятора. Соприкасаясь с катодом, дендриты могут вызвать короткое замыкание и, как следствие, – возгорание  или взрыв батареи. Кроме того, дендриты приводят к потере активного лития, что уменьшает емкость аккумулятора с каждым циклом зарядки.

До сих пор, однако, не было известно, как и почему определенные металлы образуют дендриты. Вольфганг Шмиклер (Wolfgang Schmickler) и Элизабет Сантос (Elizabeth Santos) из Ульмского университета с помощью суперкомпьютера "Justus 2" разработали модель, на атомном уровне объясняющую этот процесс. Квантово-химические вычисления показали, что сценарий образования дендритов связан с так называемой нулевой точкой заряда, которую имеет каждый металл. Если отложения в металле происходит при потенциалах ниже этой нулевой точки – то есть при отрицательно заряженном электроде – образуются взрывоопасные кристаллические отложения.

"Процесс оседания гальванического элемента предполагает постоянное образование на поверхности небольших неровностей. Согласно законам электростатики, отрицательный заряд концентрируется на пиках таких кластеров и притягивает положительно заряженные ионы лития. Таким образом, эти пики продолжают расти и в конечном итоге образуют дендриты", – объясняет Шмиклер. Кроме того, моделирование выявило еще одно явление, способствующее образованию дендритов: отрицательный заряд уменьшает поверхностное натяжение, тем самым провоцируя появление выступов на поверхности. Сантос и Шмиклер остроумно сравнивают этот процесс с моющим средством для посуды, взывающим образование пузырьков в воде.

Используя свою модель, ульмские химики смогли на атомарном уровне подтвердить существующие научные выводы.  Вместе с тем авторы исследования впервые поняли, почему дендриты образуются не на всех металлах – к примеру, их нет на меди и серебре. Оказалось, что поверхность таких металлов положительно заряжена в процессе образования отложений. И при формировании на ней небольшого выступа накапливается положительный заряд. Он отталкивает положительно заряженные ионы металла, вследствие чего кластер перестает расти и генерировать дендриты.

"Наша модель дает понять, как избежать образования дендритов в перезаряжаемых батареях. Однако для этого потребуется растворитель, отвечающий целому ряду требований. Поэтому исследование имеет преимущественно теоретическую актуальность", – объясняют авторы. На практике же заветной цели можно добиться за счет использования менее реактивных жидкостей, проводящих пластмасс или керамики. Вместе с тем, по мнению экспертов, даже специальные защитные слои на анодной поверхности позволят подавить образование дендритов.

Арина Попова