Τα smartphone, τα ηλεκτρικά οχήματα και τα αμέτρητα φορητά ηλεκτρονικά είδη βασίζονται σε μπαταρίες. Καθώς η ζήτηση για προηγμένη αποθήκευση ενέργειας αυξάνεται, οι βελτιώσεις στη χωρητικότητα της μπαταρίας, τη διάρκεια ζωής και την ασφάλεια θα διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στο μέλλον της ηλεκτροκίνησης. Μία από τις πιο πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες είναι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης, οι οποίες θα μπορούσαν να επιτρέψουν στα smartphone να λειτουργούν για αρκετές ημέρες με μία μόνο φόρτιση και να προσφέρουν στα ηλεκτρικά οχήματα εμβέλεια οδήγησης τρεις φορές μεγαλύτερη από πολλά τρέχοντα μοντέλα.
Σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες χρησιμοποιούν έναν υγρό ηλεκτρολύτη μεταξύ δύο στερεών ηλεκτροδίων, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης αντικαθιστούν το υγρό με έναν στερεό ηλεκτρολύτη. Αυτός ο σχεδιασμός προσφέρει πολλά πιθανά πλεονεκτήματα, όπως υψηλή πυκνότητα ισχύος, βελτιωμένη ασφάλεια και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Αλλά ένα επίμονο πρόβλημα έχει επιβραδύνει την εμπορική υιοθέτηση. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, μικροσκοπικές δομές που μοιάζουν με δέντρα που ονομάζονται δενδρίτες μπορούν να αναπτυχθούν από την άνοδο λιθίου, διατρυπώντας τον στερεό ηλεκτρολύτη και δημιουργώντας εσωτερικά βραχυκυκλώματα.
Τώρα, μια διεπιστημονική ομάδα στο Ινστιτούτο Max Planck για Βιώσιμα Υλικά (MPI-Susmat) έχει εντοπίσει πώς αυτοί οι δενδρίτες προκαλούν το κάταγμα που τελικά οδηγεί σε αστοχία της μπαταρίας. Τα ευρήματά τους δημοσιεύονται στο περιοδικό η φύση.
Πώς σπάνε οι δενδρίτες στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης
Το πώς ακριβώς οι μαλακοί δενδρίτες του λιθίου καταφέρνουν να διαπεράσουν έναν σκληρό κεραμικό ηλεκτρολύτη έχει προβληματίσει εδώ και καιρό τους ερευνητές.
«Παρόλο που τα ηλεκτρόδια και οι δενδρίτες που σχηματίζουν αποτελούνται από μέταλλο λιθίου, το οποίο είναι μαλακό σαν κολλώδης αρκούδα, οι δενδρίτες μπορούν να διαπεράσουν τον κεραμικό ηλεκτρολύτη και να οδηγήσουν σε βραχυκύκλωμα», δήλωσε ο Δρ Yuwei Zhang, πρώτος συγγραφέας της νέας έκδοσης και επικεφαλής της ομάδας Chemo-Mechanics στο Battery-MPIS. “Πώς μπορούν οι μαλακοί δενδρίτες να σπάσουν το σκληρό κεραμικό; Υπάρχουν δύο υποθέσεις: είτε δημιουργείται εσωτερική πίεση μέσα στους δενδρίτες και προκαλεί μηχανική ρήξη του στερεού ηλεκτρολύτη. Ή διαρροή ηλεκτρονίων κατά μήκος των ορίων κόκκων του στερεού ηλεκτρολύτη προάγει το σχηματισμό πυρήνων λιθίου που στη συνέχεια αλληλοσυνδέονται.”
Για να προσδιορίσουν ποια εξήγηση ήταν σωστή, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν προηγμένο συνδυασμό τεχνικών προετοιμασίας δειγμάτων και χαρακτηρισμού υλικών. Κάθε βήμα πραγματοποιήθηκε υπό κενό και σε κρυογονικές θερμοκρασίες για την εξάλειψη των παρεμβολών από το οξυγόνο, το νερό, ακόμη και την δέσμη ηλεκτρονίων του μικροσκοπίου.
Η ομάδα δοκίμασε τόσο την εσωτερική τάση όσο και την πλαστική παραμόρφωση των δενδριτών λιθίου που παγιδεύτηκαν μέσα στις ρωγμές. Η ανάλυσή τους δεν βρήκε συσσώρευση λιθίου πριν από την άκρη του δενδρίτη, αποκλείοντας έναν προτεινόμενο μηχανισμό.
“Το μαλακό μέταλλο λιθίου είναι σε θέση να διαπεράσει τον σκληρό κεραμικό ηλεκτρολύτη, παρόμοια με μια συνεχή δέσμη νερού που διαπερνά έναν βράχο. Υπολογίσαμε ότι η υδροστατική τάση στους δενδρίτες οδηγεί τελικά σε εύθραυστο σπάσιμο του σκληρού ηλεκτρολύτη”, είπε ο Zhang.
Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν τα συμπεράσματά τους χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις πεδίου φάσης και μετρήσεις περίθλασης οπισθοσκέδασης ηλεκτρονίων.
Νέες τεχνικές για την πρόληψη αστοχίας της μπαταρίας
Με μια καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι δενδρίτες σπάζουν τους στερεούς ηλεκτρολύτες, η ομάδα ερευνά τώρα τρόπους για να σταματήσει ή να καθυστερήσει τη διαδικασία.
Πιθανές λύσεις περιλαμβάνουν τη σκλήρυνση του στερεού ηλεκτρολύτη έτσι ώστε να αντιστέκεται στη ρωγμή για μεγάλες χρονικές περιόδους, η εισαγωγή μικροσκοπικών κενών που ανακατευθύνουν την ανάπτυξη δενδριτών και εκτρέπουν τις ρωγμές μακριά από αδύναμες περιοχές ή την προσθήκη προστατευτικών επικαλύψεων σε ηλεκτρόδια λιθίου για τη μείωση του σχηματισμού δενδρίτη αρχικά.
Οι ερευνητές λένε ότι η εργασία τους καταδεικνύει τη σημασία της κατανόησης του πώς συμπεριφέρονται τα υλικά σε μικροσκοπικό επίπεδο. Αυτές οι πληροφορίες θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη μετατροπή των μπαταριών στερεάς κατάστασης από μια πολλά υποσχόμενη ιδέα σε μια πρακτική τεχνολογία για μελλοντικά smartphone, ηλεκτρικά οχήματα και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές.
