Ученые МФТИ с помощью методов машинного обучения и теории функционала плотности рассчитали, насколько аноды различного состава подвержены отложению дендритов, которые приводят к взрыву аккумуляторов. Результаты исследований опубликованы в Journal of Applied Physics и будут полезны для предварительной оценки пригодности материалов, в том числе вновь синтезируемых, для изготовления электродов.
Аккумуляторы — химические источники тока — являются неотъемлемой составляющей мобильных электронных устройств. В последние два десятилетия наиболее широкое применение получили литий-ионные аккумуляторы, так как их емкость в несколько раз больше, чем у аналогов. Несмотря на это, литий-ионные аккумуляторы имеют существенный недостаток: при длительной либо неправильной эксплуатации они иногда не просто выходят из строя, а взрываются.
Причина взрыва кроется в конструкции аккумулятора и составе материалов, пошедших на его изготовление. Любой аккумулятор состоит из анода и катода, то есть положительно и отрицательно заряженных электродов. Литий-ионный аккумулятор получил свое название из-за содержания лития в электродах. Именно литий в ходе неправильной зарядки аккумулятора, в частности на холоде, может образовывать представляющие опасность дендриты.
Дендриты — это похожие на ветки дерева сросшиеся кристаллы, которые формируются в неравновесных условиях при быстром переходе вещества из жидкого состояния в твердое. Ярким примером дендритов являются морозные узоры на стекле. Зарождаются дендриты на анодах, но со временем растут и достигают катода. Происходит короткое замыкание, сопровождающееся выделением большого количества тепла, плавлением устройств защиты аккумулятора и, как следствие, взрывом.
Ученые МФТИ смоделировали интенсивность роста дендритов на анодах из лития, меди и литий-индия. Следует отметить, что в промышленности литиевые аноды почти не используют, ученые выбрали их в качестве образца сравнения. Аноды из лития уступили место композиционным анодам с улучшенными электрофизическими характеристиками. Получение таких анодов стало возможно за счет содержания в их активном слое двух и более металлов, в данном исследовании — это лития и индия.
Для проведения расчетов использовались методы машинного обучения и теория функционала плотности. Базовым понятием данной теории является электронная плотность, то есть вероятность нахождения электрона в данной точке пространства. Так как электроны всегда в движении, постоянного местоположения у них нет. Под машинным обучением понимают составление определенных алгоритмов анализа данных, действуя по которым, компьютер сначала обрабатывает различные варианты решения множества подобных задач, а потом, по аналогии, находит ответ на поставленный вопрос.
«Мы рассчитали энергию адсорбции и скорость диффузии атома лития, адсорбированного поверхностями анодов различного состава, — пояснил Иван Круглов, руководитель лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ. — Вычисленные значения позволили оценить, насколько выбранные нами материалы подвержены отложению дендритов».
Адсорбированный атом, иными словами, связанный с поверхностью, взаимодействует с ее активными центрами (Рисунок 1). Ученые установили, что энергия адсорбции лития всеми тремя поверхностями имеет одинаковый порядок. Значит, их заполнение литием будет проходить относительно равномерно. Отсюда следует, что адсорбционные характеристики поверхности играют второстепенную роль в формировании дендритов.
Рисунок 1. Адсорбционные центры на поверхности анодов: литиевого, медного и литий-индиевого (слева направо). Кругами изображены химические элементы: темно-синий — литий, серый — медь, темно-бордовый — индий. Цифрами показан путь диффузии атома лития. Источник: Journal of Applied Physics.
Более значимый вклад вносят кинетические особенности процесса (Рисунок 2). Об этом свидетельствуют результаты вычислений изменения диффузионных барьеров при температуре 473–673 ৹C. Важно, что они хорошо согласуется с опытными данными, это указывает на точность моделирования. Под диффузионным барьером понимают энергию, которую надо преодолеть атому при перемещении, в данном случае — от одного адсорбционного центра к другому. В зависимости от температуры диффузионный барьер у медного анода больше на 2–4 порядка, чем у литиевого и литий-индиевого.
Рисунок 2. Траектория движения адсорбированного атома лития по поверхности медного анода при диффузии. Температура 353 ৹C. Красными окружностями обозначены посещенные адсорбционные центры на поверхности. Источник: Journal of Applied Physics.
«Литий-индиевый анод продемонстрировал наихудшие поверхностные свойства, образование на нем дендритов наиболее вероятно, — подытожил Иван Круглов. — Самой устойчивой к отложениям является медь».
Если расположить исследуемые аноды с учетом показателей пожаровзрывоопасности, получится следующий ряд: литий-индий → литий → медь. В этом ряду последнее место заняла медь, как самый безопасный для производства анодов металл.
Результаты расчетов, полученные учеными, будут полезны для предварительной оценки взрывобезопасности аккумуляторов и пригодности различных материалов, в том числе вновь синтезируемых, для изготовления электродов.
