Трещина в батарее: почему растут дендриты экспресс
Металлическая нить толщиной с волос прорастает сквозь керамику, как корень сквозь асфальт. В твердотельных батареях такие нити называют дендритами, и они появляются, когда ток при зарядке превышает критический порог. Керамический электролит — твёрдый, но хрупкий, как стекло. Дендрит растёт от уже существующего дефекта на границе металла и керамики: если трещину открыть дешевле, чем гонять ток в обход, металл осаждается прямо на кончике нити.
Авторы связали критический ток с длиной самого длинного тонкого дефекта. Чем длиннее дефект, тем ниже порог, после которого начинается рост. Зависимость получилась степенной: критический ток пропорционален длине дефекта в степени три вторых. Это как с трещиной в лобовом стекле: чем она длиннее, тем меньше усилий нужно, чтобы она поползла дальше.
Учёные расширили теорию на случай, когда керамика проводит немного электронов. Тогда на кончике дендрита идёт электрохимическая коррозия под напряжением, и рост продолжается даже ниже критического тока. Разброс между образцами подчиняется распределению Вейбулла — тому же закону, что описывает прочность керамических деталей: несколько слабых мест определяют судьбу всей батареи.
Распределение Вейбулла, которым описывают разброс прочности керамики, изначально предложили для описания разброса прочности хлопковых волокон.
В романе «Марсианин» Энди Вейра герой использует радиоизотопный термоэлектрический генератор, но проблема дендритов в твердотельных батареях — это реальный вызов для будущих миссий на Марс.