Изследователите от Института за изследване на полимерите „Макс Планк“ в Германия са се фокусирали върху жизнения цикъл на твърдотелните батерии и техните изследвания биха могли да доведат до разработването по-дълготрайни батерии.
Така наречените „твърдотелни батерии“ се смятат за „Свещения Граал“ в разработването на батерии. Те нямат течно ядро, както съвременните батерии, а по-скоро е в твърдо състояние. Това има различни предимства, включително факта, че тези батерии могат да се произвеждат в по-малък мащаб и са по-трудни за запалване. Акумулаторните батерии се използват в много различни неща като мобилни телефони, таблети или електрически автомобили.
Движението обаче има някои недостатъци. Например, преди години беше забранено да се внасят на борда на самолети една определена марка и модел смартфони, а електронните автомобили понякога се самозапалват. Търговските литиево-йонни батерии в наши дни са деликатни на механични натоварвания. Така наречените „твърдотелни батерии“ могат да предложат решение. Те са изцяло изработени от твърд материал, например керамични йонни проводници и нямат течно ядро или така наречения електролит. В резултат на това те са температурно нечувствителни, незапалими и механично здрави. Освен това са лесни за миниатюризиране.
Въпреки това твърдотелните батерии започват да изпитват проблеми след многобройни цикли на зареждане и разреждане: Вътрешните процеси в батерията, свързани с постепенното нарастване на „литиевите дендрити“ в батерията, водят до електрическо съединяване на положителния и отрицателния полюс, които първоначално са били електрически изолирани един от друг. Тези литиеви дендрити се разширяват постепенно по време на всеки цикъл на зареждане, докато двата полюса се съединят. В резултат на това батерията „умира“. Все още обаче са необходими допълнителни изследвания, за да се разберат по-добре точните физични процеси, свързани с този процес.
Сега с този въпрос се занимава екип от катедрата на Ханс-Юрген Бут, ръководен от Рюдигер Бергер, който използва уникална микроскопска техника, за да изследва процесите в по-голяма дълбочина. Те разгледаха въпроса за мястото, където започват да се образуват литиевите дендрити. Батерията няма връх или дъно, но дали дендритите се образуват от отрицателния към положителния полюс, или обратното? Или те се образуват еднакво от двата полюса? Или има специфични места в батерията, които насърчават зараждането и последващия растеж на дендритите?
Екипът, ръководен от Рюдигер Бергер обърна специално внимание на така наречените „граници на зърната“ в керамичния твърд електролит. Тези граници се създават по време на производството на твърдия слой: Атомите са последователно организирани в керамични кристали. И все пак, ако атомите са организирани хаотично, поради малки, случайни колебания в развитието на кристала се създават линейни структури, наречени „граници на зърната“.
Техният метод за сканиране „Kelvin Probe Force Microscopy“ (Силова микроскопия със сонда на Келвин) прави тези граници на зърната видими. Когато твърдотелната батерия се зарежда, според Чао Жу, докторант, работещ с Рюдигер Бергер открива, че електроните се събират по границите на зърната и особено близо до отрицателния полюс. Последното показва, че границата на зърната променя електрическата структура и подредбата на атомите на керамиката.
Положително заредените литиеви йони, движещи се през твърдия електролит могат да се редуцират в метален литий поради натрупването на електрони или отрицателни частици. В резултат на това се образуват литиеви отлагания и литиеви дендрити. Дендритите ще продължат да растат, ако процедурата по зареждане продължи, докато полюсите на батерията окончателно се съединят. Само при отрицателния полюс е доказано, че се формират тези най-ранни фази на растеж на дендритите. В противоположния положителен полюс не се наблюдава такъв растеж.
Изследователите се надяват, че като разберат ясно процесите на растеж, ще могат да създадат ефикасни стратегии за спиране или поне ограничаване на растежа в отрицателния полюс, проправяйки пътя за по-безопасни литиеви твърдотелни батерии за в бъдеще.
Изследването е публикувано в Nature Communications на 9 март.