Vědci odhalili tajemství zkratů v solid-state bateriích: Cesta k bezpečnějším a výkonnějším zařízením
InovaceVědci z Institutu Maxe Plancka pro udržitelné materiály učinili významný objev, který by mohl vyřešit jeden z největších problémů bránících masovému rozšíření nové generace energetických úložišť.
Vědci z Institutu Maxe Plancka pro udržitelné materiály učinili významný objev, který by mohl vyřešit jeden z největších problémů bránících masovému rozšíření nové generace energetických úložišť. Odhalili totiž, jak lithiové dendrity spouštějí praskliny uvnitř solid-state baterií a způsobují jejich zkraty.
Solid-state baterie jsou považovány za budoucí náhradu dnešních lithium-iontových článků, protože mají potenciál uchovávat více energie, vydržet déle a zvýšit bezpečnost. Nahrazují hořlavý kapalný elektrolyt používaný v konvenčních bateriích pevným keramickým elektrolytem. Jejich masovému rozšíření však brání zásadní problém: během nabíjení mohou z elektrody vyrůstat drobné lithiové struktury známé jako dendrity, které pronikají pevným elektrolytem a vytvářejí vnitřní zkraty.
Nová studie vysvětluje, jak k tomu dochází. Namísto dříve předpokládaného úniku elektronů před špičkou dendritu vědci zjistili, že se uvnitř lithiového kovu hromadí vnitřní napětí, které nakonec způsobí prasknutí tuhé keramické bariéry. „Ačkoliv elektrody a vznikající dendrity tvoří lithiový kov, který je měkký jako gumový medvídek, dendrity dokážou proniknout keramickým elektrolytem a způsobit zkrat,“ uvedl Dr. Yuwei Zhang, první autor studie a vedoucí skupiny „Chemo-mechanika bateriových materiálů“ na MPI-SusMat.
K prozkoumání procesu selhání tým připravil a analyzoval vzorky baterií ve vakuu a při kryogenních teplotách, aby eliminoval rušení kyslíkem, vlhkostí nebo vlivy mikroskopického paprsku. Zkoumali lithium zachycené v prasklinách a nenašli žádné důkazy o hromadění lithia před špičkou dendritu, což oslabilo předchozí teorii o úniku elektronů podél hranic zrn. Místo toho tým dospěl k závěru, že hydrostatický tlak uvnitř dendritu vytváří dostatečné tahové napětí k prasknutí elektrolytu. „Měkký lithiový kov je schopen proniknout tuhým keramickým elektrolytem, podobně jako nepřetržitý proud vody, který proniká skálou. Vypočítali jsme, že hydrostatické napětí v dendritu nakonec vede k křehkému lomu pevného elektrolytu,“ dodal Zhang.
Tyto poznatky by mohly pomoci vývojářům baterií navrhnout solid-state články, které jsou odolnější vůči praskání a zkratům. Mezi zkoumaná řešení patří odolnější solid-state elektrolyty, které lépe odolávají napětí, mikroskopické dutiny, jež přesměrovávají růst dendritů, a ochranné povlaky na lithiových elektrodách pro snížení tvorby dendritů během nabíjení. Úspěšné zavedení těchto změn by mohlo urychlit příchod smartphonů s delší výdrží, bezpečnějších baterií a elektromobilů s větším dojezdem. Pochopení přesné příčiny selhání článků je považováno za klíčový krok k jejich komerčnímu nasazení. Výzkum byl publikován v prestižním časopise Nature.