Ученые МФТИ оценили взрывоопасность аккумуляторов с разным материалом анода
Анализ подверженности анодов различного состава отложению дендритов, приводящих к взрыву аккумуляторов, выполнили с помощью методов машинного обучения и теории функционала плотности ученые МФТИ, 25 декабря пишет журнал МФТИ «За науку».
Результаты исследований ученые представили в статье «Поверхностные свойства анодных материалов как показатель роста дендритов» (Surface properties of anode materials as an indicator of dendrite growth), опубликованной в Journal of Applied Physics.
Авторы считают, что выполненные расчеты могут быть использованы для первоначальной оценки пригодности материалов на роль анода, в том числе и вновь синтезируемых.
Аккумуляторы в настоящее время широко применяются в мобильных электронных устройствах, причем наибольшей популярностью пользуются литий-ионные аккумуляторы из-за их высокой, по сравнению с аналогами, емкости. Однако при этом данные аккумуляторы имеют существенный недостаток: они в процессе длительной или неправильной эксплуатации иногда взрываются.
Причина взрыва является рост на аноде так называемых дендритов — похожих на ветки дерева сросшихся кристаллов металла, которые, достигнув катода, приводят к короткому замыканию. При этом выделяется большое количество тепла, плавящего устройства защиты аккумулятора. Следствием этого является взрыв, который может нанести ущерб как материальный, так и здоровью владельцев.
Для своего исследования ученые МФТИ выбрали аноды из лития, меди и литий-индия, причем, поскольку литий практически не используется для изготовления анодов, он был выбран в качестве образца для сравнения.
Расчеты велись с использованием методов машинного обучения и теории функционала плотности. В этой теории базовым понятием является электронная плотность — вероятность нахождения электрона, который находится в постоянном движении, в данной точке пространства.
Машинное обучение заключается в составлении определенных алгоритмов анализа данных, действуя согласно которым, компьютер, обработав различные варианты решения множества подобных задач, по аналогии находит ответ на поставленный вопрос.
Руководитель лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ к. ф.-м. н. Иван Круглов пояснил суть исследования:
«Мы рассчитали энергию адсорбции и скорость диффузии атома лития, адсорбированного поверхностями анодов различного состава. Вычисленные значения позволили оценить, насколько выбранные нами материалы подвержены отложению дендритов».
Адсорбированный, т. е. связанный с поверхностью, атом взаимодействует с ее активными центрами. Ученые выяснили, что энергия адсорбции лития всеми тремя поверхностями имеет одинаковый порядок. Это означает, что их заполнение литием проходит относительно равномерно, а значит, адсорбционные характеристики поверхности в формировании дендритов играют второстепенную роль.
При этом кинетические особенности процесса вносят более значимый вклад, что следует из результатов вычислений изменения диффузионных барьеров при температуре 473–673 °C и хорошо согласуется с опытными данными, подтверждая точность моделирования.
Диффузионный барьер — это энергия, которую надо преодолеть атому при перемещении. В данном случае для перемещения от одного адсорбционного центра к другому. Как показали расчеты, у медного анода, в зависимости от температуры, диффузионный барьер больше на 2–4 порядка, чем у литиевого и литий-индиевого.
«Литий-индиевый анод продемонстрировал наихудшие поверхностные свойства, образование на нем дендритов наиболее вероятно. Самой устойчивой к отложениям является медь», — подытожил результаты моделирования Иван Круглов.
Таким образом, наиболее пожаровзрывоопасными являются литий-индиевые аноды, за ними по этому показателю следуют литиевые, а на последнем месте — медные, как самые безопасные.
Полученные учеными МФТИ результаты расчетов могут быть использованы при предварительной оценке взрывобезопасности существующих аккумуляторов, а также пригодности для изготовления электродов различных известных и синтезированных новых материалов.
