Novo istraživanje vodi ka manjim i sigurnijim baterijama

Otkriće istraživača s MIT-a moglo bi konačno otvoriti vrata prema dizajnu nove vrste punjive litijeve baterije koja će biti manja, lakša i sigurnija od postojećih verzija, što laboratoriji diljem svijeta istražuju već godinama. 

Ključ ovog potencijalnog skoka u tehnologiji baterija je zamjena tekućeg elektrolita koji se nalazi između pozitivne i negativne elektrode, mnogo tanjim i lakšim slojem čvrstog keramičkog materijala te zamjena jedne od elektroda čvrstim metalnim litijem. To bi uvelike smanjilo ukupnu veličinu i težinu baterije i uklonilo sigurnosni rizik povezan s tekućim elektrolitima, koji su zapaljivi. Ta istraživanja do sada su nailazila na samo jednu prepreku - dendrite. 

Dendriti su izbočine metala koje se mogu nakupiti na površini litija i prodrijeti u čvrsti elektrolit, na kraju prelazeći s jedne elektrode na drugu i kratko spajajući baterijsku ćeliju.

Istraživači se do sada nisu uspjeli složiti oko toga što dovodi do nastanka ovih metalnih izbočina, niti je bilo puno napretka u tome kako ih spriječiti i tako učiniti lagane solid-state baterije praktičnom opcijom. 

Čini se da novo istraživanje, koje je objavljeno u časopisu Joule u radu profesora MIT-a Yet-Ming Chianga, diplomanta Colea Finchera i pet drugih autora na MIT-u i Sveučilištu Brown, rješava pitanje što uzrokuje stvaranje dendrita, a također pokazuje kako se dendriti mogu spriječiti da prođu kroz elektrolit. 

Chiang kaže da su u ranijim radovima grupe došli do "iznenađujućeg i neočekivanog" otkrića, a to je da litij, koji je vrlo mekan metal, tijekom procesa može prodrijeti kroz tvrdi, čvrsti elektrolitski materijal koji se koristi za čvrstu bateriju. 

Kretanje iona naprijed-natrag uzrokuje promjenu volumena elektroda, što neizbježno uzrokuje naprezanje u čvrstom elektrolitu, koji mora ostati u potpunom kontaktu s obje elektrode između kojih se nalazi. "Da bi se taložio ovaj metal, mora doći do povećanja volumena jer dodajete novu masu", kaže Chiang. "Dakle, postoji povećanje volumena na strani ćelije gdje se taloži litij. A ako postoje čak i mikroskopski nedostaci, to će stvoriti pritisak na te nedostatke koji mogu uzrokovati pucanje." 

Tim je sada pokazao da ti stresovi uzrokuju pukotine koje omogućuju stvaranje dendrita. Pokazalo se da je rješenje problema veći stres, primijenjen u pravom smjeru i s pravom količinom sile. 

Dok su prije neki istraživači mislili da su dendriti formirani čisto elektrokemijskim procesom, a ne mehaničkim, eksperimenti tima pokazuju da su mehanički stresovi ti koji uzrokuju problem. 

Proces stvaranja dendrita normalno se odvija duboko unutar neprozirnih materijala baterijske ćelije i ne može se izravno promatrati, pa je Fincher razvio način izrade tankih ćelija pomoću prozirnog elektrolita, čime se cijeli proces može izravno vidjeti i snimiti. "Možete vidjeti što se događa kada stavite kompresiju na sustav i možete vidjeti ponašaju li se dendriti na način koji je razmjeran procesu korozije ili procesu loma", kaže Fincher. 

Tim je pokazao da može izravno manipulirati rastom dendrita jednostavnom primjenom i otpuštanjem pritiska, uzrokujući cik-cak krivudanje dendrita u savršenom poravnanju sa smjerom sile. 

Primjena mehaničkih naprezanja na čvrsti elektrolit ne eliminira stvaranje dendrita, ali kontrolira smjer njihova rasta. To znači da ih se može usmjeriti da ostanu paralelne s dvjema elektrodama i spriječiti da ikada prijeđu na drugu stranu, te ih tako učiniti bezopasnima. 

U svojim testovima istraživači su koristili pritisak izazvan savijanjem materijala, no kažu da u praksi može postojati mnogo različitih načina za stvaranje potrebnog stresa. Na primjer, elektrolit bi se mogao napraviti s dva sloja materijala koji imaju različite količine toplinskog širenja, tako da postoji svojstveno savijanje materijala, kao što se radi u nekim termostatima. 

Drugi bi pristup bio "dopiranje" materijala atomima koji bi se ugradili u njega, iskrivljujući ga i ostavljajući ga u trajno napregnutom stanju. Ovo je ista metoda koja se koristi za proizvodnju super-tvrdog stakla koje se koristi u zaslonima pametnih telefona i tableta, objašnjava Chiang. A količina potrebnog pritiska nije ekstremna. Eksperimenti su pokazali da su pritisci od 150 do 200 megapaskala bili dovoljni da zaustave dendrite u prolasku elektrolita. 

Zapravo, drugačija vrsta naprezanja, koja se naziva "pritisak u nizu", često se primjenjuje na ćelije baterije,  gnječenjem materijala u smjeru okomitom na ploče baterije - nešto poput komprimiranja sendviča stavljanjem utega na vrh. Smatralo se da bi to moglo pomoći u sprječavanju odvajanja slojeva. Ali eksperimenti su sada pokazali da pritisak u tom smjeru zapravo pogoršava stvaranje dendrita. "Pokazali smo da ova vrsta pritiska zapravo ubrzava kvar izazvan dendritom", kaže Fincher. 

Umjesto toga potreban je pritisak duž ravnine pločice, kao da se sendvič stišće sa strane. "Ono što smo pokazali u ovom radu jest da kada primijenite kompresijsku silu, dendrite možete prisiliti da putuju u smjeru kompresije", kaže Fincher- "A ako je taj smjer duž ravnine ploča, dendriti neće nikad prijeći na drugu stranu.” 

To bi konačno moglo učiniti praktičnim proizvodnju baterija pomoću čvrstog elektrolita i metalnih litijevih elektroda. Ne samo da bi oni upakirali više energije u određeni volumen i težinu, već bi eliminirali potrebu za tekućim elektrolitima, koji su zapaljivi materijali. 

Nakon što su demonstrirali osnovne uključene principe, sljedeći korak tima bit će pokušati ih primijeniti na stvaranje funkcionalnog prototipa baterije, kaže Chiang, a zatim otkriti koji bi točni proizvodni procesi bili potrebni za masovnu proizvodnju takvih baterija.

Iako su podnijeli zahtjev za patent, istraživači ne planiraju sami komercijalizirati sustav, jer kažu kako već postoje tvrtke koje rade na razvoju solid-state baterija. "Rekao bih da će industrija morati biti svjesna naših otkrića i pokušati ih koristiti u dizajniranju boljih proizvoda", dodaje Chiang.