Vědci odhalili překvapivou povahu dendritů: Klíč k bezpečnějším lithium-iontovým bateriím

Lithium dendrity, drobné krystalické trny, které vyrůstají z anod lithium-iontových baterií během nabíjení, představují dlouhodobou výzvu pro nejpoužívanější formu ukládání energie na světě.

Lithium dendrity, drobné krystalické trny, které vyrůstají z anod lithium-iontových baterií během nabíjení, představují dlouhodobou výzvu pro nejpoužívanější formu ukládání energie na světě. Tyto dendrity mohou proniknout separátorem baterie, což způsobuje katastrofální zkraty a bezpečnostní rizika. Nová studie publikovaná v časopise Science, na níž se podíleli vědci z Rice University a dalších institucí, poprvé detailně odhaluje, jak se tyto struktury uvnitř baterií chovají.

Většina materiálů vykazuje na nanometrové úrovni zcela odlišné vlastnosti než ve své objemové formě. Vědci se domnívali, že lithium dendrity, které měří jen stovky nanometrů v průměru (více než stokrát menší než lidský vlas), se budou lišit od objemového lithia, které je měkké a tvárné, tedy se výrazně deformuje před prasknutím. Přesné znalosti o chování lithium dendritů v bateriích však chyběly, zejména proto, že jejich mechanické vlastnosti nebyly nikdy přímo měřeny v jejich přirozeném chemickém prostředí.

K překonání této mezery ve znalostech vyvinuli vědci z Rice University ve spolupráci s Georgia Institute of Technology, University of Houston a Institute of High Performance Computing v Singapuru specializované platformy pro přípravu vzorků a mechanickou charakterizaci. Použili vzduchotěsnou přenosovou komoru a vysoko rozlišovací elektronovou mikroskopii, aby mohli v reálném čase pozorovat deformaci jednotlivých dendritů pod kontrolovaným stresem. Experiment byl mimořádně náročný, protože lithium je extrémně reaktivní a vystavení i stopovému množství vzduchu mění jeho chemii a strukturu.

Díky těmto bezprecedentním měřením se ukázalo, že lithium dendrity vykazují překvapivě vysokou pevnost a křehké chování pod mechanickým stresem, což je v rozporu s běžnými předpoklady. Tyto rigidní, mikroskopické struktury připomínající jehly nebo vousy jsou uvnitř bateriového článku obaleny tenkou vrstvou pevného elektrolytického rozhraní. Tento povlak zvyšuje jejich strukturální tuhost, což vysvětluje, jak mohou propíchnout separátory nebo dokonce pevné elektrolyty. Stejné zapouzdření brání lithiovému jádru dendritů v plastické deformaci, což vede k tomu, že se „lithiové rampouchy“ pod stresem snadno lámou a vytvářejí izolované fragmenty „mrtvého lithia“.

Tým z University of Houston potvrdil křehkou povahu dendritů pozorováním jejich lámání v reálném čase během provozu baterie, a to jak v systémech s kapalným, tak s pevným elektrolytem. Tento objev poskytuje potenciální vysvětlení, proč některé ochranné vrstvy selhávají při zastavení růstu lithium dendritů. Představuje užitečný mechanický rámec, který může pomoci výzkumné komunitě vyvinout účinnější strategie pro zlepšení bezpečnosti a spolehlivosti vysokoenergetických úložných systémů, včetně těch pro elektrická vozidla a sítě obnovitelných zdrojů energie.