Οι επιστήμονες παρατήρησαν άμεσα πώς μικροσκοπικές μεταλλικές δομές που ονομάζονται δενδρίτες λιθίου αναπτύσσονται μέσα σε μπαταρίες ιόντων λιθίου, αποκαλύπτοντας γιατί μπορούν να προκαλέσουν ζημιά στις μπαταρίες και να προκαλέσουν επικίνδυνα βραχυκυκλώματα.
Τι προκαλούν οι σχηματισμοί στις μπαταρίες
Οι σχηματισμοί που μοιάζουν με βελόνες αναπτύσσονται στην άνοδο, τον αρνητικό ακροδέκτη μιας μπαταρίας. Εάν μεγαλώσουν αρκετά, μπορούν να διαπεράσουν τον εσωτερικό διαχωριστή και να φτάσουν στην κάθοδο, δημιουργώντας ένα εσωτερικό βραχυκύκλωμα που μπορεί να οδηγήσει σε βλάβη της μπαταρίας.
Ενώ οι δενδρίτες έχουν μελετηθεί εδώ και χρόνια, οι ερευνητές δεν είχαν κατανοήσει ποτέ πλήρως τη μηχανική τους συμπεριφορά κατά την ανάπτυξη μέσα σε μια λειτουργική μπαταρία. Η παρατήρησή τους ήταν δύσκολη επειδή σχηματίζονται σε νανοκλίμακα και αναπτύσσονται μέσα σε σφραγισμένα στοιχεία μπαταρίας.
Στη νέα μελέτη, ερευνητές από πανεπιστήμια των ΗΠΑ και της Σιγκαπούρης συνδύασαν πειράματα και προσομοιώσεις για να καταγράψουν πώς κρυσταλλώνονται και συμπεριφέρονται οι δενδρίτες καθώς σχηματίζονται μέσα στις μπαταρίες.
Διερεύνηση εύθραυστων μεταλλικών βελόνων
Για να εξετάσουν τις δομές, οι επιστήμονες κατασκεύασαν εξειδικευμένες πειραματικές πλατφόρμες ικανές να απομονώνουν και να δοκιμάζουν δενδρίτες που λαμβάνονται από λειτουργικές μπαταρίες. Το λίθιο είναι εξαιρετικά αντιδραστικό, πράγμα που σημαίνει ότι τα δείγματα έπρεπε να χειρίζονται σε σφραγισμένα περιβάλλοντα για να αποφευχθεί η έκθεση στον αέρα.
«Για να επιτρέψουμε την ποσοτική μελέτη των δενδριτών λιθίου, αναπτύξαμε προσαρμοσμένες πλατφόρμες προετοιμασίας δειγμάτων και μηχανικού χαρακτηρισμού για τόσο λεπτή εργασία», δήλωσε ο Boyu Zhang, απόφοιτος διδακτορικού του Rice και συν-επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ηλεκτρονική μικροσκοπία υψηλής ανάλυσης για να παρατηρήσουν πώς παραμορφώνονται οι μεμονωμένοι δενδρίτες υπό τάση. Αυτό τους επέτρεψε να αναλύσουν την αντοχή και τη δομική τους συμπεριφορά με τρόπους που δεν ήταν δυνατοί πριν.
Οι δενδρίτες λιθίου είναι εξαιρετικά μικροί, περίπου 100 φορές λεπτότεροι από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας. Αναπτύσσονται σαν μικροσκοπικά κλαδιά από την άνοδο κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης της μπαταρίας.
Η ανάπτυξή τους έχει συνδεθεί από καιρό με την υποβάθμιση της μπαταρίας και τους κινδύνους για την ασφάλεια. Εάν οι δενδρίτες σπάσουν, μπορούν να απομονωθούν ηλεκτρικά, σχηματίζοντας αυτό που οι ερευνητές ονομάζουν νεκρό λίθιο. Αυτό μειώνει την χωρητικότητα της μπαταρίας με την πάροδο του χρόνου.
«Οι δενδρίτες λιθίου αναγνωρίζονται ευρέως ως ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην εμπορευματοποίηση των μπαταριών λιθίου-μετάλλου», δήλωσε ο Xing Liu, επίκουρος καθηγητής μηχανολογίας και βιομηχανικής μηχανικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Νιου Τζέρσεϊ.
Ισχυρότεροι από το αναμενόμενο
Για χρόνια, οι επιστήμονες πίστευαν ότι οι δενδρίτες λιθίου ήταν μαλακοί και εύκαμπτοι, επειδή το ίδιο το μέταλλο λιθίου είναι γνωστό ότι είναι σχετικά εύκαμπτο. Ωστόσο, τα πειράματα αποκάλυψαν κάτι πολύ διαφορετικό. Αντί να κάμπτονται εύκολα, οι δενδρίτες συμπεριφέρονταν σαν εύθραυστες δομές που μπορούν να σπάσουν υπό τάση.
«Οι δενδρίτες λιθίου θεωρούνταν από καιρό ότι είναι μαλακοί και όλκιμοι, όπως το Play-Doh», είπε ο Liu. «Αλλά οι παρατηρήσεις μας υποδηλώνουν ότι μπορεί αντίθετα να είναι ισχυροί και εύθραυστοι — σπάζοντας περισσότερο σαν ξηρά μακαρόνια».
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι καθώς οι δενδρίτες αναπτύσσονται, επικαλύπτονται με ένα λεπτό στρώμα γνωστό ως ενδιάμεση φάση στερεού ηλεκτρολύτη ή SEI. Αυτή η επίστρωση κάνει τους δενδρίτες πιο άκαμπτους και πιο βελονοειδείς.
Λόγω αυτής της ακαμψίας, οι δομές μπορούν να τρυπήσουν διαχωριστές μπαταριών και ηλεκτρολύτες, αυξάνοντας τον κίνδυνο εσωτερικών βραχυκυκλωμάτων. Όταν σπάνε, τα θραύσματα συσσωρεύονται ως νεκρό λίθιο μέσα στο στοιχείο, μειώνοντας περαιτέρω την απόδοση της μπαταρίας.
«Δεν υπάρχει πρακτική μέθοδος για να «καθαριστούν» οι δενδρίτες από ένα λειτουργικό στοιχείο μπαταρίας», πρόσθεσε ο Liu.
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται και αποτυγχάνουν αυτές οι δομές θα μπορούσε να βοηθήσει τους μηχανικούς να σχεδιάσουν ασφαλέστερες μπαταρίες επόμενης γενιάς. Οι ερευνητές λένε ότι οι πληροφορίες από τη μελέτη μπορούν να βοηθήσουν στην καθοδήγηση στρατηγικών όπως η τροποποίηση των υλικών ανόδου ή η χρήση κραμάτων λιθίου για τον περιορισμό της εύθραυστης θραύσης και της ανάπτυξης δενδριτών.
Τα ευρήματα θα μπορούσαν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στη βελτίωση των μπαταριών λιθίου-μετάλλου, οι οποίες υπόσχονται υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από τη σημερινή τεχνολογία ιόντων λιθίου, αλλά παραμένουν περιορισμένες από τον σχηματισμό δενδριτών.
www.worldenergynews.gr
