Οι σημαντικά βελτιωμένες μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων (EV) θα μπορούσαν να είναι ένα βήμα πιο κοντά χάρη σε μια νέα μελέτη με επικεφαλής ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, που δημοσιεύεται σήμερα στο Nature. Χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές απεικόνισης, οι ερευνητές αποκάλυψαν τους μηχανισμούς που προκαλούν την αστοχίας των μπαταριών λιθίου-μετάλλου στερεάς κατάστασης (Li-SSB). Εάν αυτοί μπορούν να αντιμετωπιστούν, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης που χρησιμοποιούν ανόδια από μέταλλο λιθίου θα μπορούσαν να προσφέρουν μια βαθμιαία βελτίωση στην εμβέλεια, την ασφάλεια και τις επιδόσεις των μπαταριών των ηλεκτρικών οχημάτων και να βοηθήσουν στην προώθηση της ηλεκτροκίνητης αεροπορίας.

Ένας από τους συν-επικεφαλής συγγραφείς της μελέτης, ο Dominic Melvin, διδακτορικός φοιτητής στο Τμήμα Υλικών του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, δήλωσε: “Η πρόοδος των μπαταριών στερεάς κατάστασης με ανόδια από μέταλλο λιθίου είναι μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η πρόοδος των τεχνολογιών μπαταριών. Ενώ οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου θα συνεχίσουν να βελτιώνονται, η έρευνα στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης έχει τη δυνατότητα να αποφέρει υψηλές απολαβές και να αποτελέσει μια τεχνολογία που θα αλλάξει τα δεδομένα“.

Οι μπαταρίες Li-SSB αντικαθιστούν τον εύφλεκτο υγρό ηλεκτρολύτη στις συμβατικές μπαταρίες με στερεό ηλεκτρολύτη και χρησιμοποιούν μέταλλο λιθίου ως άνοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο). Η χρήση του στερεού ηλεκτρολύτη βελτιώνει την ασφάλεια και η χρήση του μετάλλου λιθίου σημαίνει ότι μπορεί να αποθηκευτεί περισσότερη ενέργεια.

Μια κρίσιμη πρόκληση με τα Li-SSB, ωστόσο, είναι ότι είναι επιρρεπή σε βραχυκύκλωμα κατά τη φόρτιση λόγω της ανάπτυξης “δενδριτών”: νημάτια μετάλλου λιθίου που ραγίζουν μέσα από τον κεραμικό ηλεκτρολύτη. Στο πλαίσιο του προγράμματος SOLBAT του Ιδρύματος Faraday, ερευνητές από τα Τμήματα Υλικών, Χημείας και Μηχανικής Επιστήμης του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, διεξήγαγαν μια σειρά εμπεριστατωμένων ερευνών για να κατανοήσουν καλύτερα τον τρόπο με τον οποίο συμβαίνει αυτό το βραχυκύκλωμα.

Σε αυτή την τελευταία μελέτη, η ομάδα χρησιμοποίησε μια προηγμένη τεχνική απεικόνισης που ονομάζεται υπολογιστική τομογραφία ακτίνων Χ στο Diamond Light Source για να απεικονίσει την αστοχία των δενδριτών με πρωτοφανή λεπτομέρεια κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης. Η νέα μελέτη απεικόνισης αποκάλυψε ότι η έναρξη και η διάδοση των ρωγμών των δενδριτών είναι ξεχωριστές διαδικασίες, οι οποίες καθοδηγούνται από διαφορετικούς υποκείμενους μηχανισμούς.

Οι ρωγμές δενδριτών ξεκινούν όταν το λίθιο συσσωρεύεται σε υποεπιφανειακούς πόρους. Όταν οι πόροι γεμίσουν, η περαιτέρω φόρτιση της μπαταρίας αυξάνει την πίεση, οδηγώντας στη δημιουργία ρωγμών. Αντίθετα, η διάδοση συμβαίνει με το λίθιο να γεμίζει μόνο εν μέρει τη ρωγμή, μέσω ενός μηχανισμού ανοίγματος σφήνας που οδηγεί τη ρωγμή στο άνοιγμα από πίσω.

Ανάπτυξη ρωγμών – δενδριτών σε μπαταρία Li-SSB

Αυτή η νέα κατανόηση δείχνει το δρόμο προς τα εμπρός για την αντιμετώπιση των τεχνολογικών προκλήσεων των Li-SSB. Ο Dominic Melvin δήλωσε: “Για παράδειγμα, ενώ η πίεση στην άνοδο λιθίου μπορεί να είναι καλή για να αποφευχθεί η ανάπτυξη κενών στη διεπιφάνεια με τον στερεό ηλεκτρολύτη κατά την εκφόρτιση, τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η υπερβολική πίεση μπορεί να είναι επιζήμια, καθιστώντας πιο πιθανή τη διάδοση δενδριτών και το βραχυκύκλωμα κατά τη φόρτιση“.

Ο Sir Peter Bruce, Wolfson Chair, καθηγητής υλικών στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, επικεφαλής επιστήμονας του Faraday Institution και συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε: “Η διαδικασία με την οποία ένα μαλακό μέταλλο όπως το λίθιο μπορεί να διεισδύσει σε έναν εξαιρετικά πυκνό σκληρό κεραμικό ηλεκτρολύτη έχει αποδειχθεί πρόκληση για την κατανόηση με πολλές σημαντικές συνεισφορές από εξαιρετικούς επιστήμονες σε όλο τον κόσμο. Ελπίζουμε ότι οι πρόσθετες γνώσεις που αποκτήσαμε θα βοηθήσουν την πρόοδο της έρευνας για τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης προς μια πρακτική συσκευή“.

Στο παρακάτω βίντεο από το κανάλι Genius Engineering μπορείτε να δείτε πως λειτουργούν οι Li-SSB μπαταρίες.

Σύμφωνα με πρόσφατη έκθεση του Ιδρύματος Faraday, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης μπορούν να καλύψουν το 50% της παγκόσμιας ζήτησης για μπαταρίες στα καταναλωτικά ηλεκτρονικά είδη, το 30% στις μεταφορές και πάνω από το 10% στα αεροσκάφη μέχρι το 2040.

Η καθηγήτρια Pam Thomas, CEO του Ιδρύματος Faraday, δήλωσε: “Οι ερευνητές της SOLBAT συνεχίζουν να αναπτύσσουν μια μηχανιστική κατανόηση της αστοχίας των μπαταριών στερεάς κατάστασης – ένα εμπόδιο που πρέπει να ξεπεραστεί πριν από την υλοποίηση μπαταριών υψηλής ισχύος με εμπορικά σημαντικές επιδόσεις για εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία. Το έργο ενημερώνει τις στρατηγικές που θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν οι κατασκευαστές κυψελών για να αποφύγουν τις αστοχίες αυτής της τεχνολογίας. Αυτή η έρευνα που εμπνέεται από εφαρμογές είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα του είδους των επιστημονικών εξελίξεων για τις οποίες δημιουργήθηκε το Ίδρυμα Faraday.”

Παραπομπές:

Peter Bruce, Dendrite initiation and propagation in lithium metal solid-state batteries, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05970-4