Litij-ionske baterije u budućnosti će biti zamijenjene baterijama s čvrstim elektrolitom, koje nude više snage i sigurnosti. Međutim, prije nego što uđu u primjenu, znanstvenici još moraju riješiti jedan problem. Tim s Instituta Max Planck za održive materijale opisao je pojavu koja objašnjava kratke spojeve u čvrstim baterijama. Središnje pitanje je kako mikroskopske litijeve izbočine, nazvane dendriti, uzrokuju pukotine tijekom punjenja, čime se pokreće kratki spoj unutar baterije. Čvrste baterije smatraju se obećavajućom tehnologijom za pametne telefone, električna vozila i nosive uređaje. Trenutačno većina elektroničkih uređaja koristi litij-ionske baterije, u kojima su dvije čvrste elektrode odvojene tekućim elektrolitom. Čvrste baterije zamjenjuju ovo rješenje čvrstim elektrolitima. Unatoč spomenutim prednostima, još nisu komercijalno dostupne jer se litijevi dendriti mogu formirati tijekom punjenja. Ovi dendriti rastu od negativne elektrode kroz čvrsti elektrolit do pozitivne elektrode, potencijalno uzrokujući kratki spoj. Znanstveni tim istražio je dva moguća objašnjenja za ovo ponašanje.
– Premda su elektrode i dendriti koji se formiraju izrađeni od metala litija, koji je mekan poput gumenih bombona, dendriti mogu prodrijeti u tvrdi, keramički elektrolit. Postoje dvije hipoteze koje pokušavaju objasniti ovaj fenomen. Ili se u dendritima nakuplja unutarnji napon, uzrokujući pukotine u čvrstom elektrolitu, ili se elektroni kreću duž granica zrna u elektrolitu, potičući stvaranje litijevih jezgri koje se kasnije spajaju – rekao je Yuwei Zhang, koji vodio istraživanje.
Za test su istraživači koristili eksperimentalnu postavku pod vakuumom i na kriogenim temperaturama. To je trebalo eliminirati utjecaj kisika, vode ili elektronskog snopa mikroskopa. Analiza je pokazala da se ispred vrhova dendrita ne nakuplja dodatni litij. Zhang objašnjava otkriće na sljedeći način:
– Mekani litijev metal prodire u tvrdi keramički elektrolit, baš kao što stalni mlaz vode može probiti kamen. Prema izračunima, hidrostatski tlak unutar dendrita stvara vlačna naprezanja u keramičkom elektrolitu, što dovodi do pukotina.
Znanstvenici s Instituta Max Planck rade na strategijama za sprečavanje ili odgađanje pucanja elektrolita. To uključuje povećanje čvrstoće elektrolita, stvaranje mikroskopski malih šupljina za preusmjeravanje rasta dendrita i nanošenje zaštitnih premaza na litijeve elektrode kako bi se suzbilo stvaranje dendrita. Cilj znanstvenika je prenijeti baterije u čvrstom stanju iz laboratorija u industrijsku primjenu, čime se otvara put snažnijim i sigurnijim uređajima za pohranu energije. Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature.
