Otkriće istraživača sa MIT-a moglo bi konačno da otključa vrata dizajnu nove vrste punjive litijumske baterije koja je lakša, kompaktnija i bezbednija od trenutnih verzija, a koju laboratorije širom sveta teže godinama.
Ključ za ovaj potencijalni skok u tehnologiji baterija je zamena tečnog elektrolita koji se nalazi između pozitivne i negativne elektrode sa mnogo tanjim, lakšim slojem čvrstog keramičkog materijala i zamena jedne od elektroda čvrstim litijumskim metalom. Ovo bi u velikoj meri smanjilo ukupnu veličinu i težinu baterije i uklonilo bezbednosni rizik povezan sa tečnim elektrolitima, koji su zapaljivi. Ali ta potraga je opterećena jednim velikim problemom: dendritima.
Dendriti, čije ime potiče od latinskog za grane, su projekcije metala koji se mogu nakupiti na površini litijuma i prodreti u čvrsti elektrolit, na kraju prelazeći sa jedne elektrode na drugu i stvarajući kratki spoj u ćeliji baterije. Istraživači se nisu mogli složiti oko toga šta dovodi do ovih metalnih filamenata, niti je bilo mnogo napretka u tome kako ih sprečiti i tako učiniti lagane solid-state baterije praktičnom opcijom.
Novo istraživanje, koje je danas objavljeno u časopisu Joule u radu profesora MIT-a Iet-Ming Chianga, postdiplomca Kola Finčera i pet drugih sa MIT-a i Univerziteta Braun, izgleda da rešava pitanje šta uzrokuje formiranje dendrita. Takođe pokazuje kako se dendriti mogu sprečiti da prođu kroz elektrolit.
Čang kaže da su u ranijem radu grupe napravili „iznenađujuće i neočekivano“ otkriće, a to je da tvrdi, čvrsti elektrolitni materijal koji se koristi za čvrstu bateriju može da prodre kroz litijum, koji je veoma mekan metal, tokom procesa. punjenja i pražnjenja baterije, dok se joni litijuma kreću između dve strane.
Ovo kretanje jona napred-nazad uzrokuje promenu zapremine elektroda. To neizbežno izaziva naprezanje u čvrstom elektrolitu, koji mora da ostane u potpunosti u kontaktu sa obe elektrode između kojih je u sendviču. „Da biste deponovali ovaj metal, mora doći do proširenja zapremine jer dodajete novu masu“, kaže Čang. „Dakle, postoji povećanje zapremine na strani ćelije na kojoj se taloži litijum. A ako postoje čak i mikroskopski nedostaci, to će stvoriti pritisak na te nedostatke koji mogu izazvati pucanje.“
Ti naponi, kako je tim sada pokazao, izazivaju pukotine koje omogućavaju da se formiraju dendriti. Ispostavilo se da je rešenje problema veći stres, primenjen u pravom smeru i sa pravom količinom sile.
Dok su ranije neki istraživači mislili da su dendriti formirani čisto elektrohemijskim procesom, a ne mehaničkim, eksperimenti tima pokazuju da su mehanička naprezanja ti koji uzrokuju problem.
Proces formiranja dendrita se obično odvija duboko unutar neprozirnih materijala ćelije baterije i ne može se direktno posmatrati, tako da je Fincher razvio način pravljenja tankih ćelija pomoću providnog elektrolita, omogućavajući da se ceo proces direktno vidi i snimi. „Možete da vidite šta se dešava kada stavite kompresiju na sistem, i možete videti da li se dendriti ponašaju na način koji je srazmeran procesu korozije ili procesa loma“, kaže on.
Tim je pokazao da mogu direktno da manipulišu rastom dendrita jednostavnim primenom i otpuštanjem pritiska, uzrokujući da dendriti cik-cak u savršenom skladu sa smerom sile.
Primena mehaničkih naprezanja na čvrsti elektrolit ne eliminiše formiranje dendrita, ali kontroliše pravac njihovog rasta. To znači da se mogu usmeriti da ostanu paralelne sa dve elektrode i sprečiti da ikada pređu na drugu stranu, i na taj način učiniti bezopasnim.
U svojim testovima, istraživači su koristili pritisak izazvan savijanjem materijala, koji je formiran u gredu sa težinom na jednom kraju. Ali kažu da u praksi može postojati mnogo različitih načina da se proizvede potreban stres. Na primer, elektrolit bi mogao biti napravljen od dva sloja materijala koji imaju različite količine termičkog širenja, tako da postoji inherentno savijanje materijala, kao što se radi u nekim termostatima.
Drugi pristup bi bio da se materijal „dopira“ atomima koji bi postali ugrađeni u njega, izobličujući ga i ostavljajući u trajno napregnutom stanju. Ovo je isti metod koji se koristi za proizvodnju super-tvrdog stakla koji se koristi u ekranima pametnih telefona i tableta, objašnjava Čang. A količina potrebnog pritiska nije ekstremna: eksperimenti su pokazali da su pritisci od 150 do 200 megapaskala dovoljni da zaustave dendrite da pređu elektrolit.
Potreban pritisak je „srazmeran naponima koji se obično izazivaju u procesima rasta komercijalnog filma i mnogim drugim proizvodnim procesima“, tako da ne bi trebalo da bude teško primeniti u praksi, dodaje Fincher.
U stvari, različita vrsta naprezanja, koja se zove pritisak u snopu, često se primenjuje na ćelije baterije, tako što se materijal u suštini gnječi u pravcu koji je okomit na ploče baterije – nešto kao kompresovanje sendviča stavljanjem težine na njega. Smatralo se da bi to moglo pomoći u sprečavanju odvajanja slojeva. Ali eksperimenti su sada pokazali da pritisak u tom pravcu zapravo pogoršava formiranje dendrita. „Pokazali smo da ovaj tip pritiska u dimnjaku zapravo ubrzava kvar izazvan dendritom“, kaže Fincher.
Umesto toga, potreban je pritisak duž ravni ploča, kao da se sendvič istiskuje sa strane. „Ono što smo pokazali u ovom radu je da kada primenite silu pritiska možete naterati dendrite da putuju u pravcu kompresije“, kaže Finčer, a ako je taj pravac duž ravni ploča, dendriti „će nikada ne pređite na drugu stranu.“
To bi konačno moglo učiniti praktičnim proizvodnju baterija koristeći čvrste elektrolite i metalne litijumske elektrode. Ne samo da bi ovi spakovali više energije u datu zapreminu i težinu, već bi eliminisali potrebu za tečnim elektrolitima, koji su zapaljivi materijali.
Pošto je demonstrirao osnovne principe koji su uključeni, sledeći korak tima biće da pokuša da ih primeni na kreiranje funkcionalnog prototipa baterije, kaže Čang, a zatim da shvati koji će tačno proizvodni procesi biti potrebni za proizvodnju takvih baterija u količini.
Iako su podneli zahtev za patent, istraživači ne planiraju da sami komercijalizuju sistem, kaže on, jer već postoje kompanije koje rade na razvoju solid-state baterija. „Rekao bih da je ovo razumevanje načina kvara u solid-state baterijama za koje verujemo da industrija treba da bude svesna i da pokuša da ih koristi u dizajniranju boljih proizvoda“, kaže on.
