Плотное сжатие может решить главную проблему для аккумуляторов твердотельных автомобилей и гаджетов.

      Простой механический трюк может заменить сложные химические решения, чтобы сделать твердотельные батареи более безопасными, быстрыми и надежными.

      Твердотельные батареи давно обещают быть священным граалем хранения энергии. Они обещают удвоить плотность энергии по сравнению с традиционными вариантами, сократить время зарядки и устранить риск термических пожаров. Несмотря на это, технология еще не достигла широкого коммерческого применения, и главной причиной являются дендриты. Эти микроскопические, игловидные структуры образуются внутри твердотельных батарей во время зарядки, пробивают твердый керамический электролит и соединяют электроды, вызывая короткое замыкание.

      Теперь исследователи из Национальной лаборатории SLAC и Стэнфордского университета обнаружили удивительно простое решение этой постоянной проблемы. Согласно статье, опубликованной в научном журнале Nature, применение контролируемого механического давления на керамический электролит предотвращает эти короткие замыкания, позволяя тестовым ячейкам выдерживать тысячи циклов зарядки без отказа.

      Перенаправление внутреннего роста

      Ученые провели годы, обсуждая, начинаются ли дендриты на поверхности электролита или глубоко внутри его внутренней структуры. Используя современные рентгеновские инструменты в SLAC, исследовательская группа разрешила этот вопрос, показав, что дендриты начинаются в наноскопических внутренних порах и дефектах внутри материала.

      Чтобы противостоять этому, исследователи использовали основные механики разрушения. Они поместили кольцо из сплава с памятью формы вокруг твердого электролита и нагрели его до 170 градусов Цельсия. Когда кольцо сжималось, оно оказывало сильное, непрерывное боковое давление на ячейку.

      Результат был поразительным. Под механическим сжатием дендриты все еще образовывались на внутренних дефектах, но физический стресс изменял их путь роста. Вместо того чтобы расти вертикально к электродам и вызывать короткие замыкания, дендриты росли горизонтально. Безопасно ограниченные внутри электролита, они больше не могли пересекать промежуток между компонентами, чтобы убить батарею.

      Влияние на повседневные технологии

      Хотя исследование в настоящее время находится на лабораторной стадии, использование механического давления для остановки дендритов открывает четкий путь для реальных устройств в нескольких ключевых секторах.

      Электромобили: Для электромобилей удвоение плотности энергии означает значительно больший запас хода и меньший вес автомобиля. Предотвращение коротких замыканий позволяет этим батареям справляться с быстрыми протоколами зарядки, снижая тревогу за запас хода у водителей.

      Потребительская электроника: Смартфоны, ноутбуки и носимые устройства могут получить значительно более длительное время работы от батареи в более тонких форм-факторах, как только производство масштабируется.

      Хранение энергии в сети: Энергетические сети большого масштаба требуют хранения, которое длится тысячи циклов. Твердые керамические электролиты обеспечат невоспламеняемую стабильность, а механическое сжатие поможет обеспечить долгосрочную надежность.

      Исследование доказывает, что устранение дендритов может не требовать чуда — бездефектного керамического материала. Полагаясь на основное механическое давление, оно дает инженерам четкий, более реалистичный путь вперед. Проектирование батарей с встроенным механизмом сжатия может быть тем кратким путем, который необходим, чтобы наконец вывести твердотельные батареи из лабораторных испытаний в реальный мир.