Ερευνητές στο Ινστιτούτο Max Planck για Βιώσιμα Υλικά αποκάλυψαν πώς οι δενδρίτες λιθίου προκαλούν ρωγμές στο εσωτερικό των μπαταριών στερεάς κατάστασης, ένα εύρημα που θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση ενός από τα μεγαλύτερα εμπόδια που αντιμετωπίζει η αποθήκευση ενέργειας επόμενης γενιάς.
Oι μπαταρίες στερεάς κατάστασης
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης θεωρούνται ευρέως ως μελλοντική αντικατάσταση των σημερινών κυψελών ιόντων λιθίου, επειδή μπορούν δυνητικά να αποθηκεύσουν περισσότερη ενέργεια, να διαρκέσουν περισσότερο και να βελτιώσουν την ασφάλεια. Αντικαθιστούν τον εύφλεκτο υγρό ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται στις συμβατικές μπαταρίες με έναν στερεό κεραμικό ηλεκτρολύτη.
Ωστόσο, ένα σημαντικό ζήτημα έχει επιβραδύνει την εμπορευματοποίηση. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, μικροσκοπικές δομές λιθίου γνωστές ως δενδρίτες μπορούν να αναπτυχθούν από το ηλεκτρόδιο, να διαπεράσουν τον στερεό ηλεκτρολύτη και να δημιουργήσουν εσωτερικά βραχυκυκλώματα.
Η νέα μελέτη εξηγεί πώς συμβαίνει αυτό. Αντί να διαρρέουν ηλεκτρόνια μπροστά από την άκρη του δενδρίτη, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι συσσωρεύεται εσωτερική τάση μέσα στο μέταλλο λιθίου μέχρι να σπάσει το άκαμπτο κεραμικό φράγμα.
Μαλακό μέταλλο, σκληρό σπάσιμο
«Παρόλο που τα ηλεκτρόδια και οι σχηματιζόμενοι δενδρίτες αποτελούνται από μέταλλο λιθίου, το οποίο είναι μαλακό σαν αρκουδάκι, οι δενδρίτες είναι σε θέση να διεισδύσουν στον κεραμικό ηλεκτρολύτη και να οδηγήσουν σε βραχυκύκλωμα», δήλωσε ο Δρ. Yuwei Zhang, πρώτος συγγραφέας της μελέτης και επικεφαλής της ομάδας «Χημειο-Μηχανική Υλικών Μπαταριών» στο MPI-SusMat.
Για να διερευνήσει τη διαδικασία αστοχίας, η ομάδα προετοίμασε και ανέλυσε δείγματα μπαταριών υπό κενό και κρυογονικές θερμοκρασίες. Αυτό βοήθησε στην εξάλειψη των παρεμβολών από οξυγόνο, υγρασία ή επιδράσεις δέσμης μικροσκοπίου που θα μπορούσαν να αλλοιώσουν τα αποτελέσματα.
Οι ερευνητές εξέτασαν το λίθιο που παγιδεύτηκε μέσα σε ρωγμές και δεν βρήκαν στοιχεία ότι το λίθιο συσσωρευόταν μπροστά από την άκρη του δενδρίτη. Αυτό αποδυνάμωσε μια κορυφαία θεωρία ότι τα ηλεκτρόνια που διαρρέουν κατά μήκος των ορίων των κόκκων προκαλούσαν νέα ανάπτυξη λιθίου μέσα στο κεραμικό.
Αντίθετα, η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η υδροστατική πίεση μέσα στον δενδρίτη δημιουργεί αρκετή τάση εφελκυσμού για να σπάσει τον ηλεκτρολύτη.
«Το μαλακό μέταλλο λιθίου είναι σε θέση να διεισδύσει στον άκαμπτο κεραμικό ηλεκτρολύτη, όπως μια συνεχής δέσμη νερού που διαπερνά ένα βράχο. Υπολογίσαμε ότι η υδροστατική τάση στον δενδρίτη οδηγεί τελικά σε εύθραυστη θραύση του στερεού ηλεκτρολύτη», δήλωσε ο Zhang.
Επίλυση βλάβης μπαταρίας
Τα ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους κατασκευαστές μπαταριών να σχεδιάσουν στοιχεία στερεάς κατάστασης που είναι πιο ανθεκτικά σε ρωγμές και βραχυκυκλώματα. Πιθανές λύσεις που διερευνώνται τώρα περιλαμβάνουν σκληρότερους στερεούς ηλεκτρολύτες που μπορούν να αντέξουν καλύτερα την τάση, μικροσκοπικά κενά που ανακατευθύνουν την ανάπτυξη δενδριτών και προστατευτικές επικαλύψεις σε ηλεκτρόδια λιθίου για τη μείωση του σχηματισμού δενδριτών κατά τη φόρτιση.
Εάν είναι επιτυχείς, αυτές οι αλλαγές θα μπορούσαν να επιταχύνουν την άφιξη smartphone μεγαλύτερης διάρκειας, ασφαλέστερων μπαταριών και ηλεκτρικών οχημάτων με μεγαλύτερη εμβέλεια οδήγησης.
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης είναι μια από τις πιο στενά παρακολουθούμενες τεχνολογίες μπαταριών εδώ και χρόνια, αλλά τα ζητήματα κατασκευής και αξιοπιστίας έχουν καθυστερήσει την υιοθέτηση της μαζικής αγοράς. Η κατανόηση του γιατί τα στοιχεία αποτυγχάνουν θεωρείται κρίσιμο βήμα προς την εμπορική ανάπτυξη.
Το μέλλον των μπαταριών αυτών
Η μελέτη υπογραμμίζει επίσης μια ευρύτερη πρόκληση στην επιστήμη των μπαταριών: ακόμη και τα μαλακά υλικά μπορούν να προκαλέσουν ζημιά όταν η πίεση αυξάνεται σε περιορισμένους μικροσκοπικούς χώρους.
Για τις αυτοκινητοβιομηχανίες και τους κατασκευαστές ηλεκτρονικών ειδών που αγωνίζονται να εμπορευματοποιήσουν τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης, η εργασία προσφέρει μια σαφέστερη πορεία προς την επίλυση ενός προβλήματος που παρέμεινε επίμονα δύσκολο.
www.worldenergynews.gr
