Zašto litijum-jonske baterije propadaju? Naučnici pronašli odgovore u mikroskopskom „trnju“

Naučnici su po prvi put primetili kako se sićušno metalno „trnje“ zvano dendriti grana unutar litijum-jonskih baterija, što može izazvati kratak spoj. Njihovi nalazi, objavljeni u žurnalu Science, bacaju svetlo na ranije nepoznata mehanička svojstva litijumskih dendrita tokom njihovog rasta, piše EurekAlert!

Naučnici već dugo proučavaju litijumske dendrite, ali nisu u potpunosti razumeli kako se ove strukture ponašaju unutar baterija. Dendriti se formiraju na nanonivou; njihov rast je teško posmatrati u zatvorenom sistemu baterije koja radi, ali je povezan sa slabljenjem i otkazivanjem baterije.

Preporučujemo

Nova studija, plod međunarodne saradnje istraživača sa univerziteta u SAD i Singapuru, kombinovala je eksperimente i simulacije kako bi pružila prvi uvid u to kako dendriti kristališu, rekao je koautor Sjing Liju, docent mašinskog i industrijskog inženjerstva na Tehnološkom institutu u Nju Džerziju (NJIT) i direktor NJIT-ove Laboratorije za računarsku mehaniku i fiziku.

- Ovaj rad odražava blisku saradnju između eksperimentalne i računarske mehanike i mogao bi pomoći u poboljšanju bezbednosti baterija – objasnio je on.

- Uprkos decenijama proučavanja, osnovna nanomehanička svojstva litijumskih dendrita ostala su misterija – do sada – rekao je Ćing Aji, koautor studije i bivši naučni saradnik na Univerzitetu Rajs.

Oko 100 puta manji od širine ljudske dlake, litijumski dendriti (od latinske reči za „granu“) rastu iz anoda – negativnih terminala u litijum-jonskim baterijama. Grane dendrita mogu prodreti u elektrolit litijumske ćelije; ako se dendriti prošire od negativno naelektrisane anode do pozitivno naelektrisane katode, mogu izazvati kratak spoj baterije.

- Litijumski dendriti su široko priznati kao jedna od najvećih prepreka komercijalizaciji litijum-metalskih baterija. Tokom rada baterije, litijumski dendriti se mogu formirati, polomiti i postati električno izolovani od litijum-metalske anode, stvarajući ono što je poznato kao „mrtav litijum“. Ovaj proces vodi do postepenog gubitka kapaciteta baterije tokom vremena. Pored toga, dendriti mogu probiti separator i stvoriti unutrašnji kratak spoj između anode i katode. I gubitak kapaciteta i rizici od kratkog spoja povezani sa dendritima se često primećuju u laboratorijskim studijama – rekao je Liju.

Štaviše, litijumske dendrite je skoro nemoguće ukloniti iz baterije kada se jednom formiraju.

- Trenutno ne postoji praktičan metod za „čišćenje“ dendrita iz operativne baterijske ćelije – dodaje Liju.

Za novu studiju, istraživači sa Univerziteta Rajs i saradnici sa Tehnološkog instituta Džordžije, Univerziteta u Hjustonu i Tehnološkog univerziteta Nanjang u Singapuru prikupili su dendrite iz aktivnih baterija kako bi testirali njihovu mehaničku čvrstoću.

- Da bismo omogućili kvantitativnu studiju litijumskih dendrita, razvili smo prilagođene platforme za pripremu uzoraka i mehaničku karakterizaciju za tako delikatan rad – rekao je Boju Džang, bivši doktorand na Rajsu i koautor studije.

Da bi sproveli eksperimente, konstruisali su hermetički zatvorene platforme za pripremu i proučavanje uzoraka, jer je litijum veoma reaktivan i podleže hemijskim i strukturnim promenama kada se izloži čak i malim količinama vazduha. Elektronska mikroskopija visoke rezolucije je zatim otkrila kako se pojedinačni dendriti deformišu pod kontrolisanim naprezanjem.

Litijum u masi je savitljiv i mekan; stoga se očekivalo da će litijumski dendriti biti slično gipki. Međutim, eksperimenti su pokazali drugačije. Tim sa Univerziteta u Hjustonu, predvođen koautorom dopisnikom Janom Jaom, profesorom na Odeljenju za električno i računarsko inženjerstvo, posmatrao je lomljenje dendrita u realnom vremenu tokom rada baterije, pružajući dokaze o krtosti dendrita i u tečnim i u čvrstim sistemima elektrolita.

- Dugo se pretpostavljalo da su litijumski dendriti meki i duktilni, poput plastelina. Ali naša zapažanja sugerišu da bi oni umesto toga mogli biti čvrsti i krti – pucajući više kao suve špagete – rekao je Liju i dodao:

- Sproveli smo simulacije koje premošćuju različite nivoe (scale-bridging) kako bismo objasnili zašto se litijumski dendriti ponašaju drugačije nego što se ranije mislilo.

Otkrili su da, dok se dendriti formiraju u baterijskoj ćeliji, tanki sloj međufaze čvrstog elektrolita, ili SEI (solid electrolyte interphase), obavija njihovu površinu. SEI premaz čini dendrite krutim i igličastim, sposobnim da probiju separatore i elektrolite baterijskih ćelija, i sklonim pucanju pod naprezanjem, nakupljajući se u baterijskoj ćeliji kao fragmenti „mrtvog litijuma“ i doprinoseći otkazivanju baterije.

- Razumevanje osnovne fizike pruža nove uvide u to kako dendrite učiniti manje podložnim krtom lomu – na primer, korišćenjem anoda od legura litijuma – objašnjava Liju.

Za istraživače koji proučavaju računarsku mehaniku, mehanizmi poput onih uočenih u studiji – kako se strukture deformišu i šta ih tera da se rasprsnu i otkažu – su poput muzičkih nota koje se mogu uključiti u „simfoniju“ materijala visokih performansi i energetski efikasnih sistema za skladištenje.

- Mehanizam ojačavanja koji smo identifikovali kod litijumskih dendrita dodaje novu notu ovoj kompoziciji – rekao je Liju.

(Telegraf Nauka/EurekAlert!)