Baterie nowej generacji. Jak przedłużyć ich żywotność?
Nowe badania pokazują, w jaki sposób mikroskopijne struktury litu niszczą akumulatory półprzewodnikowe. Odkrycie może pomóc wydłużyć żywotność baterii nowej generacji i przyspieszyć rozwój samochodów elektrycznych o większym zasięgu.
Akumulatory półprzewodnikowe od lat uznawane są za jedną z najbardziej obiecujących technologii magazynowania energii. Mają być pojemniejsze, bezpieczniejsze i trwalsze niż obecne baterie litowo-jonowe. Ich rozwój hamuje jednak poważny problem: tworzenie się dendrytów litu, które prowadzą do zwarć i uszkodzeń ogniw.
W klasycznych akumulatorach litowo-jonowych pomiędzy elektrodami znajduje się ciekły elektrolit. W wersjach półprzewodnikowych zastępuje go elektrolit stały, najczęściej ceramiczny. Takie rozwiązanie poprawia bezpieczeństwo i pozwala zwiększyć gęstość energii. Jednocześnie jednak podczas ładowania mogą powstawać mikroskopijne wyrostki litu, przypominające gałęzie drzew. Rosną one przez elektrolit stały, aż doprowadzają do pęknięcia materiału i zwarcia.
Zespół badaczy z Max Planck Institute for Sustainable Materials ustalił teraz, w jaki sposób dendryty niszczą ceramiczny elektrolit. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature.
– Lit jest miękki jak żelki, dlatego wydawało się paradoksem, że może przebijać twardą ceramikę – wyjaśnia Yuwei Zhang, kierownik grupy badawczej.
Naukowcy sprawdzili dwie konkurencyjne hipotezy
Pierwsza hipoteza zakładała, że lit gromadzący się w mikropęknięciach wywołuje ciśnienie prowadzące do dalszego pękania elektrolitu. Druga sugerowała, że lit tworzy nowe zarodki na granicach ziaren materiału ceramicznego.
Eksperymenty przeprowadzono w próżni i w temperaturach kriogenicznych, aby wyeliminować wpływ tlenu, wilgoci i samej wiązki elektronów mikroskopu. Analizy potwierdziły, że decydującą rolę odgrywa mechaniczne ciśnienie wywierane przez lit zamknięty w istniejących szczelinach.
Badacze porównują ten proces do wody, która wnika w pęknięcia skał i podczas zamarzania rozszerza je, prowadząc do kruszenia materiału. Podobnie zachowuje się lit: mimo swojej miękkości stopniowo rozsadza ceramiczny elektrolit od środka. Zespół nie znalazł natomiast dowodów potwierdzających teorię o tworzeniu się nowych jąder litu na granicach ziaren.
Naukowcy pracują już nad sposobami ograniczenia wzrostu dendrytów. Jednym z pomysłów jest zwiększenie wytrzymałości elektrolitu stałego, innym – projektowanie mikroskopijnych pustych przestrzeni, które mogłyby zmieniać kierunek wzrostu dendrytów i zapobiegać rozprzestrzenianiu się pęknięć. Rozważane są także ochronne powłoki na elektrodach litowych.
Zdaniem badaczy lepsze zrozumienie mechaniki powstawania dendrytów może przybliżyć moment, w którym akumulatory półprzewodnikowe trafią do masowej produkcji i pozwolą znacząco zwiększyć zasięg pojazdów elektrycznych.
Źródło: Max Planck Institute
Czytaj też: Naelektryzowana para atomowa i tworzenie złożonych nanomateriałów
Grafika tytułowa: Roberto Sorin / Unsplash
