Smatraju se „svetim gralom“ istraživanja baterija: takozvane „čvrste baterije“. One više nemaju tečno jezgro, kao što je slučaj sa današnjim baterijama, već se sastoje od čvrstog materijala. Ovo dovodi do nekoliko prednosti: Između ostalog, ove baterije se teže zapaljuju i mogu se proizvoditi iu minijaturnoj skali.
Naučnici sa Instituta Maks Plank za istraživanje polimera sada su skrenuli pažnju na životni ciklus takvih baterija i ciljane procese koji ga smanjuju. Sa njihovim otkrićima, u budućnosti bi se mogle realizovati trajnije solid-state baterije.
Bilo da se radi o e-automobilu, mobilnom telefonu ili bežičnom šrafcigeru, mnogi uređaji koji se svakodnevno koriste sada koriste punjive baterije. Međutim, trend ima i svoje nedostatke. Na primer, određenim mobilnim telefonima je zabranjeno da se nose u avionima ili su se e-automobili zapalili. Moderne komercijalne litijum-jonske baterije su osetljive na mehanički stres.
Takozvane „čvrste baterije“ mogle bi da obezbede lek. One više ne sadrže tečno jezgro – takozvani elektrolit – već se u potpunosti sastoje od čvrstog materijala, npr. keramički jonski provodnik. Kao rezultat toga, oni su mehanički robusni, nezapaljivi, laki za minijaturizaciju i neosetljivi na temperaturne fluktuacije.
Ali solid-state baterije pokazuju svoje probleme nakon nekoliko ciklusa punjenja i pražnjenja: dok su pozitivni i negativni polovi baterije na početku još uvek električni odvojeni jedan od drugog, na kraju su električni povezani jedni s drugima unutrašnjim procesima baterije: „Litijum dendriti“ polako rastu u bateriji.
Ovi litijumski dendriti rastu korak po korak tokom svakog procesa punjenja dok se dva pola ne povežu. Rezultat: baterija je kratko spojena i „umre“. Do sada, međutim, tačni fizički procesi koji se odvijaju u ovom procesu još nisu dobro shvaćeni.
Tim predvođen Rudigerom Bergerom iz odeljenja Hans-Jirgena Buta sada se pozabavio ovim problemom i koristio specijalnu mikroskopsku metodu da detaljnije istraži procese. Istraživali su pitanje gde litijum dendriti počinju da rastu. Da li je to kao u kamenoj pećini u kojoj stalaktiti rastu sa plafona, a stalagmiti sa poda dok se ne spoje u sredini i formiraju takozvani „stalagnat“?
U bateriji nema gornjeg i donjeg dela – ali da li dendriti rastu od negativnog do pozitivnog pola ili od pozitivnog do negativnog pola? Ili rastu podjednako sa oba pola? Ili postoje posebna mesta u bateriji koja dovode do nukleacije i potom dendritskog rasta?
Tim Rudigera Bergera je posebno posmatrao takozvane „granice zrna“ u keramičkom čvrstom elektrolitu. Ove granice se formiraju tokom proizvodnje čvrstog sloja: atomi u kristalima keramike su u osnovi veoma pravilno raspoređeni. Međutim, zbog malih, nasumičnih fluktuacija u rastu kristala, formiraju se strukture nalik linijama gde su atomi raspoređeni nepravilno — takozvana „granica zrna“.
Ove granice zrna su vidljive njihovom mikroskopskom metodom — „Mikroskopija sile Kelvinove sonde“ — u kojoj se površina skenira oštrim vrhom. Chao Zhu, a Ph.D. student koji radi sa Rudigerom Bergerom kaže: „Ako je čvrsta baterija napunjena, mikroskopija Kelvinove sonde vidi da se elektroni akumuliraju duž granica zrna — posebno blizu negativnog pola“. Ovo poslednje ukazuje da granica zrna ne menja samo raspored atoma keramike, već i njihovu elektronsku strukturu.
Zbog nagomilavanja elektrona—tj. negativne čestice – pozitivno naelektrisani litijum joni koji putuju u čvrstom elektrolitu mogu se redukovati u metalni litijum. Rezultat: formiraju se naslage litijuma i litijum dendriti. Ako se proces punjenja ponovi, dendrit će nastaviti da raste dok se konačno ne povežu polovi baterije. Formiranje takvih početnih faza za rast dendrita primećeno je samo na negativnom polu – takođe primećeno samo na ovom polu. Na suprotnom pozitivnom polu nije primećen rast.
Naučnici se nadaju da će uz precizno razumevanje procesa rasta moći da razviju efikasne načine da spreče ili bar ograniče rast na negativnom polu, kako bi se u budućnosti mogle koristiti i sigurnije litijumske čvrste baterije. u širokopojasnim aplikacijama.
