A Max Planck Társaság kutatói feltárták a rövidzárlatok mechanizmusát a szilárdtest akkumulátorokban, ami egy lépés a biztonságosabb, hosszabb élettartamú, következő generációs akkumulátorok felé.

Az okostelefonok, az elektromos járművek és számos hordozható eszköz akkumulátorokra támaszkodik. Energiatároló kapacitásuk, élettartamuk és biztonságuk erősen alakítja majd az elektrifikáció jövőjét. A legígéretesebb következő generációs technológiák közé tartoznak a szilárdtest akkumulátorok. Ezek az akkumulátorok lehetővé tennék, hogy az okostelefonok több napig működjenek a napi töltés helyett, és az elektromos járművek hatótávolsága harmadával lenne magasabb, mint a mai opciók esetében.

A ma széles körben használt lítium-ion akkumulátorokkal ellentétben, amelyek folyékony elektrolitot használnak két szilárd elektróda között, a szilárdtest akkumulátorok szilárd elektrolitot alkalmaznak. Ez a kialakítás növelheti az energiasűrűséget, javíthatja a biztonságot és meghosszabbíthatja az akkumulátor élettartamát. Egy fő kihívás azonban továbbra is korlátozza kereskedelmi felhasználásukat. Töltés közben mikroszkopikus beépülések, úgynevezett dendritek alakulnak ki. Ezek az apró, faszerű szerkezetek az anódból nőnek ki, behatolnak a szilárd elektrolitba, és rövidzárlatot okoznak az akkumulátor belsejében.

A Max Planck Fenntartható Anyagok Intézetének (MPI-SusMat) interdiszciplináris csapata most feltárta, hogyan okoznak a dendritek törést, ami rövidzárlathoz vezet. Eredményeiket a Nature folyóiratban tették közzé.

Mi okozza a dendritek által kiváltott repedést a szilárdtest akkumulátorokban?

A dendritek képződése a szilárdtest akkumulátorokban ellentmondásos jelenség.

„Bár az elektródák és a képződő dendritek lítiumfémből állnak, amely puha, mint egy gumimaci, a dendritek képesek behatolni a kerámia elektrolitba, és rövidzárlatot okozni” – mondja Dr. Yuwei Zhang, az új publikáció első szerzője és az MPI-SusMat „Akkumulátoranyagok kemomechanikája” csoportjának vezetője. „Hogyan törhetik át a lágy dendritek a merev, szilárd kerámiát? Két hipotézis létezik: vagy belső feszültség keletkezik a dendritekben, és mechanikai törést okoz a szilárd elektrolitban. Vagy elektronok szivárognak a szilárd elektrolit szemcsehatárai mentén, elősegítve a lítiummagok kialakulását, amelyek később összekapcsolódnak.”

Mindkét hipotézis bizonyítására a kutatók komplex minta-előkészítési és anyagjellemzési technikákat alkalmaztak, amelyeket teljes mértékben vákuum és kriogén hőmérséklet alatt jellemeztek, hogy kizárják az oxigén, a víz vagy a mikroszkópok elektronnyalábjának hatását.

A Max Planck csapat elemezte a repedésekben lévő lítiumdendritek feszültségállapotát és plasztikus aktivitását, és kimutatták, hogy a dendritcsúcs előtt nem dúsult fel lítium.

„A lágy lítiumfém képes behatolni a merev kerámia elektrolitba, mint egy folyamatos vízsugár, amely áthatol egy kőzeten. Kiszámítottuk, hogy a dendritben lévő hidrosztatikus feszültség végül a szilárd elektrolit rideg töréséhez vezet” – mondja Zhang. További fázistér-szimulációk és elektron-visszaszórási diffrakciós mérések alátámasztották megállapításaikat.

Lehetséges módszerek a dendrit által kiváltott repedések megelőzésére vagy késleltetésére

Miután feltárták, hogyan történik a dendrit által kiváltott repedés, a kutatók most stratégiákat vizsgálnak annak megelőzésére. A lehetséges megközelítések közé tartozik a szilárd elektrolit szívósságának növelése a repedésképződés késleltetése érdekében, mikroszkopikus üregek bevezetése, amelyek átirányítják a dendritnövekedést és eltérítik a repedéseket, vagy védőbevonatok felvitele a lítiumelektródákra a dendritképződés elnyomása érdekében.

Ezek az eredmények rávilágítanak arra, hogy mennyire fontos az anyagok viselkedésének alapvető ismerete ahhoz, hogy az ígéretes technológiákat gyakorlati, valós alkalmazásokká alakítsuk.

Egy lítium-ion akkumulátor belseje egy szilárdtest akkumulátorhoz képest. A szilárdtest akkumulátorok széles körű elterjedését eddig a töltés során keletkező dendritek akadályozták.