Otkriće objašnjava kvarove baterija u čvrstom stanju

Baterije sljedeće generacije koje koriste nove elektrolitske materijale mogle bi postići daleko veću gustoću energije od današnjih litij-ionskih baterija, bez mnogih sigurnosnih problema. No napredne baterije, poput onih koje koriste čvrste ili gotovo čvrste elektrolite, muči stvaranje sitnih šiljaka litijevog metala koji se nazivaju dendriti, a koji uzrokuju gubitak učinkovitosti i kvar baterija.

Točno kako se ti dendriti formiraju još je uvijek predmet rasprave. Iako je granica između elektrolita baterije i elektroda bila u fokusu većine istraživanja, drugi krivac je granica gdje se susreću dva zrna elektrolita u čvrstom materijalu. Istraživači znaju da te granice mogu posijati dendrite unutar elektrolita, iako je učinke bilo teško proučavati.

Sada su istraživači s američkog tehnološkog instituta MIT i Tehničkog sveučilišta u Münchenu otkrili zašto takve granice mogu dovesti do dendrita. Skrivene električne neravnoteže preko granica utječu na to kako elektrolit provodi električne naboje, što utječe na to kako se ioni i elektroni kreću kroz materijal tijekom rada baterije.

U radu objavljenom u časopisu Nature Nanotechnology, istraživači su okarakterizirali električno i kemijsko ponašanje te pokazali da podešavanje načina obrade elektrolita poboljšava kretanje iona uz smanjenje propuštanja elektrona. Ovo podešavanje može povećati kritičnu gustoću struje za više od 300 posto, što bi moglo omogućiti baterije u čvrstom stanju koje se brže pune i dulje traju.

Nekoć se sumnjalo da granice zrna imaju drugačija kemijska i električna svojstva od zrna, koja međusobno djeluju s ionima i elektronima koji se kreću između elektroda tijekom punjenja i pražnjenja baterije. Međutim, točni mehanizmi kojima su granice usporavale ione, propuštale elektrone i dovodile do dendrita nisu bili poznati.

Kako bi bolje razumjeli tu interferenciju, istraživači su razvili model koji objašnjava kako lokalne električne neravnoteže na granicama zrna mijenjaju kretanje litijevih iona i elektroničkih nositelja naboja. Model su testirali u uobičajenom čvrstom elektrolitnom materijalu zvanom litijev lantan cirkonat ili LLZO, koristeći tehnike koje uključuju elektronsku mikroskopiju, modeliranje strojnog učenja i elektrokemijsku impedancijsku spektroskopiju, koja mjeri koliko se lako naboj kreće kroz materijal.

Otkrili su da jezgre granica nose lokalni električni naboj, stvarajući lokalna električna polja koja dovode do pojačanog ionskog otpora, a istovremeno uzrokuju nakupljanje elektrona u graničnom području, gdje mogu reducirati litijeve ione, što dovodi do stvaranja dendrita litijevog metala.

Istraživači su koristili svoja zapažanja kako bi prilagodili uvjete obrade materijala LLZO elektrolita i smanjili negativne naboje na granicama, otkrivši da bi mogli olakšati kretanje litijevih iona i smanjiti curenje elektrona.

Modifikacije su im omogućile stvaranje elektrolita koji je imao kritičnu gustoću struje više od 300 posto veću od osnovnog uzorka. Veća gustoća struje omogućuje brže punjenje i pražnjenje. Također bi trebala odgoditi kratki spoj kako bi se produžio vijek trajanja baterija.

Nalazi, zajedno s inženjerskim radom istraživača, predstavljaju smjernice za istraživače baterija kako bi ubrzali razvoj visokoučinkovitih i dugotrajnijih baterija u čvrstom stanju