Nova studija u Science pokazuje da litijumski dendriti u baterijama nisu mekani, već su čvrsti i krti: pojedinačni dendriti pucaju pri naprezanjima >150 MPa, nasuprot bulk litijumu koji puca pri ~0,6 MPa i može se rastegnuti do 35%. Krhkost uzrokuje SEI omotač (~15 nm) koji blokira dislokacije u jezgru, pa se naprezanje nagomilava i dovodi do loma. Otkriće preusmerava strategije za dizajn anoda, elektrolita i separatora — npr. legiranje litijuma ili prilagođavanje čvrstih elektrodita.
Teška istina: Zašto dendriti u litijumskim baterijama pucaju — i kako to utiče na sigurnost
Close-up view of the top of the sample transfer box (top door open), showing that the lithium dendrite was transferred using a micromanipulator tip (a sharp silver needle) from the brown copper transmission electron microscopy grids to the Rice micromechanical devices (silver blocks), ready for subsequent testing and characterization. (CREDIT: Lou Group/Rice University)
Nova studija objavljena u časopisu Science menja osnovni pogled na opasnost koja preti iznutra litijumskim baterijama. Dok se u masi litijum ponaša kao mekan i duktilan metal, mikroskopske bodljike koje rastu tokom punjenja — dendriti — ponašaju se suprotno: čvrsti su, krti i pucaju pod naprezanjem.
Brittle, microscopic structures called dendrites form in lithium-ion batteries and can disrupt battery performance. Unlike bulk lithium, which is pliant and supple, dendrites fracture under stress. (CREDIT: Lou Group/Rice University)
Kako su istraživači došli do otkrića
Tim istraživača sa New Jersey Institute of Technology, Rice University, Georgia Tech, University of Houston i Nanyang Technological University razvio je specijalizovanu opremu za vađenje i testiranje pojedinačnih dendrita bez ikakvog kontakta sa vazduhom. Dendrite su uzgajali u zapečaćenim coin-celijama, prenosili nanomanipulatorom unutar skenirajućeg elektronskog mikroskopa i sproveli zatezne (tensile) testove uz isključen elektronski snop kako bi izbegli grejanje i izmenu uzorka.
Schematic illustration of a Li dendrite tensile test conducted in SEM. (CREDIT: Science)
Šta su otkrili
Rezultati su iznenađujući: dok se bulk (masivni) litijum lomi pri oko 0,6 MPa i može se rastegnuti do 35%, pojedinačni dendriti pucaju pri naprezanjima većim od 150 MPa — više od 250 puta većim od bulk litijuma — i to bez vidljive plastične deformacije pre loma. Lom je bio čist i pravougaon, bez karakterističnog stanjivanja duktilnih materijala.
Views of the air-free sample transfer box inside the scanning electron microscope chamber with the lithium dendrite sample successfully transferred. (CREDIT: Lou Group/Rice University)
Mehanizam krhkosti: SEI omotač
Kriotransmisiona elektronska mikroskopija (cryo-TEM) otkrila je da dendriti imaju strukturu jezgro-omotač (core-shell): kristalno jezgro litijuma obavijeno je tankim slojem solid electrolyte interphase (SEI) debljine ~15 nm. Taj SEI sloj blokira nastanak i pomeranje dislokacija na površini — uobičajenog mehanizma plastične deformacije na nanoskali — pa se naprezanje akumulira dok struktura ne pukne.
Study battery test array. Li dendrite preparation under realistic battery operation conditions. (CREDIT: Lou Group/Rice University)
Potvrda modelima i u čvrstim elektrolitima
Kompjuterske simulacije sa NJIT i Georgia Tech procenile su granično naprezanje jezgra dendrita na preko 115 MPa, što je u skladu sa merenjima. I u sistemima sa čvrstim elektrolitima tim je zabeležio isto krto ponašanje; u realnom radu čvrstoelektrolitnih ćelija snimljeno je pucanje dendrita tokom ciklusa taloženja i uklanjanja litijuma.
Posledice i moguća rešenja
Krto ponašanje dendrita objašnjava kako oni mogu napuknuti tvrđe materijale delujući kao klin koji koncentrira stres i izaziva lomove. To menja dizajnne prioritete za anode, elektrolite i separatore. Jedno obećavajuće rešenje je legiranje litijuma, koje uvodi dodatne izvore dislokacija i može omogućiti deformaciju umesto lomljenja. Takođe, mikrostruktura i mehanička otpornost čvrstih elektrodita mogu se prilagoditi da odole klinolikom pucanju.
Zašto je ovo važno
Otkrivanje da su dendriti krti, a ne duktilni, otvara novi pravac u unapređenju bezbednosti i dugovečnosti litijum-metalnih baterija — tehnologije koja obećava znatno veću energetsku gustinu nego današnje grafitne anode, ali je dugo sputavana problemima sa dendritima.
„Dugogodišnje je postojalo verovanje da su litijumski dendriti mekani i duktilni, poput plastelina. Naša zapažanja sugerišu da oni pucaju kao suva špageta,“ rekao je Xing Liu, koautor studije.
Rezultati su dostupni online u časopisu Science.
Pomozite nam da budemo bolji.
