De ce cresc stalactite și stalagmite în baterii și cum le afectează asta performanța?

Bateriile cu stare solidă sunt considerate „Sfântul Graal” al cercetării bateriilor. Acestea sunt mai sigure și pot fi miniaturizate, însă apariția de stalactite și stalagmite în baterii le afectează performanța.

Cercetătorii de la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Polimerilor (Germania) și-au îndreptat atenția asupra ciclului de viață al unor astfel de baterii și asupra proceselor care îl reduc. Datorită descoperirilor făcute de oamenii de știință, în viitor ar putea fi realizate baterii cu stare solidă mai durabile.

• Scanările cerebrale dezvăluie un pericol ascuns în alimentele ultra-procesate
• Ce au descoperit astronomii pe orbita unei stele antice?

Fie că sunt într-o mașină electrică sau un telefon mobil, bateriile reîncărcabile se găsesc în multe dispozitive utilizate zilnic. Însă acest lucru are și dezavantaje. De exemplu, anumite telefoane mobile au fost interzise în avioane, iar unele mașini electrice au luat foc. Bateriile comerciale litiu-ion moderne sunt sensibile la stresul mecanic.

De ce se formează stalactite și stalagmite în baterii?

Așa-numitele „baterii cu stare solidă” ar putea oferi o rezolvare. Acestea nu au un interior lichid, așa-numitul electrolit, ci constau în întregime din material solid, de exemplu, un conductor ionic ceramic. Drept urmare, aceste baterii sunt robuste din punct de vedere mecanic, neinflamabile, ușor de miniaturizat și insensibile la fluctuațiile de temperatură.

Dar bateriile cu stare solidă își arată și ele problemele după mai multe cicluri de încărcare și descărcare: în timp ce polii pozitivi și negativi ai bateriei sunt încă separați electric unul de celălalt la început, ei sunt în cele din urmă conectați electric între ei prin procesele interne ale bateriei: apar stalactite și stalagmite în baterii, numite „dendrite de litiu”.

Aceste dendrite de litiu cresc pas cu pas în timpul fiecărui proces de încărcare până când cei doi poli sunt conectați între ei. Rezultatul: bateria este scurtcircuitată și „moare”. Până acum însă, procesele fizice exacte care au loc în acest proces nu au fost bine înțelese.

O echipă condusă de Rüdiger Berger, de la departamentul lui Hans-Jürgen Butt, a abordat acum problema și a folosit o metodă specială de microscopie pentru a investiga procesele în detaliu. Ei s-au întrebat de unde încep să crească dendritele de litiu. Cercetătorii le-au comparat cu peșterile calcaroase, în care stalactite cresc din tavan și stalagmite din podea până când se unesc la mijloc.

Ce au descoperit cercetătorii folosind un microscop?

Nu există sus și jos într-o baterie, dar dendritele cresc de la polul negativ către polul pozitiv sau de la polul pozitiv spre cel negativ? Sau cresc în mod egal de la ambii poli? Sau există locuri speciale în baterie care duc la nucleare și apoi la creșterea dendritică începând de acolo?

Echipa lui Rüdiger Berger a analizat în special așa-numitele „limite ale granulelor” din electrolitul solid ceramic. Aceste limite se formează în timpul producerii stratului solid: atomii din cristalele ceramicii sunt în principiu aranjați foarte regulat. Cu toate acestea, datorită fluctuațiilor mici și aleatorii ale creșterii cristalelor, se formează structuri asemănătoare liniilor unde atomii sunt aranjați neregulat, așa-numita „limită a granulelor”, explică Tech Xplore.

Aceste granițe sunt vizibile cu metoda lor de microscopie, „Kelvin Probe Force Microscopy”, în care suprafața este scanată cu un vârf ascuțit. „Dacă bateria cu stare solidă este încărcată, Kelvin Probe Force Microscopy vede că electronii se acumulează de-a lungul granițelor granulelor, în special în apropierea polului negativ”, spune doctorandul Chao Zhu, care lucrează cu Rüdiger Berger.

Acesta din urmă indică faptul că granița nu numai că modifică aranjarea atomilor ceramicii, ci și structura lor electronică.

Dendritele de litiu scurtcircuitează bateriile cu stare solidă

Din cauza acumulării de electroni (adică particule încărcate negativ), ionii de litiu încărcați pozitiv care călătoresc în electrolitul solid pot fi reduși în litiu metalic. Rezultatul: se formează depozite și dendrite de litiu.

Dacă procesul de încărcare este repetat, dendrita va continua să crească până când în cele din urmă polii bateriei sunt conectați între ei. Formarea unor astfel de stadii inițiale pentru creșterea dendritei a fost observată doar la polul negativ. Nu s-a observat nicio creștere la polul opus, pozitiv.

Oamenii de știință speră că, cu o înțelegere precisă a proceselor de creștere, vor putea să dezvolte modalități eficiente de a preveni sau cel puțin de a limita creșterea la polul negativ, astfel încât în viitor să poată fi utilizate și bateriile cu litiu cu stare solidă, mai sigure, în aplicații la scară largă.

Lucrarea este publicată în revista Nature Communications.

Vă recomandăm să citiți și:

O unitate de la NASA vrea să imite condițiile care au dus la formarea vieții

Azotul lichid ar putea rezolva o mare problemă pentru astronauții trimiși pe Lună

Cele mai bune filme SF din punct de vedere științific

O nouă metodă poate detecta rapid mâncarea „falsificată”