Napredak u razvoju baterija slijedeće generacije mogao bi iz temelja promijeniti pametne telefone i električna vozila, no njihovu širu primjenu i dalje ograničava jedna mikroskopska prepreka. Znanstvenici su sada otkrili na koji način upravo taj problem oštećuje baterijes čvrstim elektrolitom, poznatije kao solid-state baterije.
Interdisciplinarni tim iz njemačkog Instituta Max Planck za održive materijale utvrdio je kako litijevi dendriti (razgranate nakupine litija koje mogu nastati tijekom punjenja baterije) uzrokuju pucanje čvrstih elektrolita, što dovodi do kvara baterije. Istraživanje objavljeno u časopisu Nature ispitivalo je zašto te strukture mogu prodrijeti kroz keramiku unatoč tome što je litij vrlo mekan metal.
Prednosti solid-state baterija i jedan kritičan nedostatak
Za razliku od klasičnih litij-ionskih baterija, koje između dviju čvrstih elektroda koriste tekući elektrolit, solid-state baterije imaju čvrsti elektrolit. Takva izvedba obećava veću gustoću pohrane energije, višu razinu sigurnosti, dulji radni vijek, višednevni rad pametnih telefona s jednim punjenjem te doseg električnih vozila koji može biti i do tri puta veći od dosega mnogih današnjih električnih vvozila s litij-ionskim baterijama.
"Iako su elektrode i dendriti koji nastaju građeni od litijeva metala, koji je mekan poput gumenog bombona, dendriti mogu prodrijeti kroz keramički elektrolit i izazvati kratki spoj", rekao je za Science Daily dr. Yuwei Zhang, prvi autor spomenute studije i voditelj specijalizirane istraživačke skupine pri Institutu Max Planck za održive materijale.
Znanstvenici su uzorke pripremili i analizirali u vakuumu te pri kriogenim temperaturama kako bi spriječili utjecaj kisika, vode i elektronskih snopova mikroskopa. Mjerili su unutarnje naprezanje i plastičnu deformaciju litijevih dendrita zarobljenih u pukotinama, pri čemu nisu pronašli nakupljanje litija ispred vrhova dendrita.
"Mekani litijev metal može prodrijeti kroz kruti keramički elektrolit poput neprekidnog vodenog mlaza koji probija stijenu. Izračunali smo da hidrostatsko naprezanje u dendritu na kraju uzrokuje krhki lom čvrstog elektrolita", pojasnio je Zhang.
Rješavanje nejvećeg problema
Simulacije faznog polja i mjerenja metodom difrakcije povratno raspršenih elektrona (EBSD) potvrdili su dobivene rezultate. Tim sada istražuje čvršće elektrolite, mikroskopske šupljine i zaštitne prevlake za litijeve elektrode kako bi smanjio nastanak dendrita i usporio razvoj problematičnih pukotina u solid-state baterijama.
