Элемент батареи состоит из положительного и отрицательного электрода, называемых катодом и анодом. Поскольку батарея вырабатывает электрический ток, электроны текут от анода через цепь вне батареи и обратно в катод.
Потеряв электроны, генерирующие ток, некоторые из атомов в аноде — электропроводящем металле, таком как литий, — становятся ионами, которые затем перемещаются к катоду, перемещаясь через проводящую жидкую среду, называемую электролитом.Перезарядка аккумулятора меняет процесс, ионы возвращаются и прилипают к аноду.
Но когда они это делают, ионы прикрепляются неравномерно. Вместо этого они образуют микроскопические шишки, которые в конечном итоге превращаются в длинные ответвления после нескольких циклов перезарядки.
Когда эти дендриты достигают катода и контактируют с ним, они образуют короткое замыкание. Электрический ток теперь течет по дендритам, а не по внешней цепи, делая батарею бесполезной и мертвой.
Ток также нагревает дендриты, и поскольку электролит склонен к воспламенению, дендриты могут воспламениться. Даже если дендриты не замыкают аккумулятор накоротко, они могут полностью оторваться от анода и плавать в электролите.
Таким образом, анод теряет материал, и батарея не может хранить столько энергии.«Дендриты опасны и уменьшают емкость аккумуляторных батарей», — сказал Асгар Арианфар, ученый из Калифорнийского технологического института, который руководил новым исследованием, опубликованным на этой неделе на обложке журнала «Химическая физика» от AIP Publishing. Хотя исследователи изучили литиевые батареи, которые являются одними из самых эффективных, их результаты можно широко применить. «Проблема дендритов характерна для всех аккумуляторных батарей», — сказал он.Исследователи выращивали дендриты лития на тестовой батарее и нагревали их в течение пары дней.
Они обнаружили, что температура до 55 градусов по Цельсию сокращает дендриты на целых 36 процентов. Чтобы выяснить, что именно вызвало эту усадку, исследователи использовали компьютер для моделирования воздействия тепла на отдельные атомы лития, составляющие дендрит, который был смоделирован с помощью простой идеализированной геометрии пирамиды.
Моделирование показало, что повышение температуры заставляло атомы перемещаться двумя способами. Атом на вершине пирамиды может опуститься на более низкие уровни. Или атом на более низком уровне может двигаться и оставлять пустое место, которое затем заполняется другим атомом.
Атомы перемещаются, генерируя достаточно движения, чтобы опрокинуть дендрит.По словам Арианфара, подсчитав, сколько энергии необходимо для изменения структуры дендрита, исследователи смогут лучше понять его структурные характеристики.
И хотя многие факторы влияют на долговечность батареи при высоких температурах — например, ее склонность к самостоятельной разрядке или возникновение других химических реакций на стороне — эта новая работа показывает, что для оживления батареи все, что вам может понадобиться, — это немного дополнительное тепло.