Инженери разгадаха мистерия по пътя към по-малки и по-леки батерии

Откритие на изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) може най-накрая да отключи вратата към проектирането на нов вид презареждаща се литиева батерия. Тя е по-лека, по-компактна и по-безопасна от сегашните версии. 

От години в лабораториите по света се борят да я създадат. 

Ключът към този потенциален скок в технологията на батериите е замяната на течния електролит, който се намира между положителния и отрицателния електрод, с много по-тънък и лек слой от твърд керамичен материал. Освен това има замяна на един от електродите с твърд литиев метал. Това ще намали значително общия размер и тегло на батерията и ще премахне риска за безопасността, свързан с течните електролити, които са запалими. 

Но този стремеж се сблъскваше с един голям проблем, поне до сега – дендритите.

Дендритите, чието име идва от латинската дума за клони, са метални издатъци, които могат да се натрупват върху литиевата повърхност. От там да проникнат в твърдия електролит, като в крайна сметка преминат от единия електрод към другия. Така прекъсват клетката на батерията. 

Изследователите дълго време не успяха да постигнат съгласие по въпроса какво води до появата на тези метални нишки. Нямаше и голям напредък по отношение на това как да се предотврати появата им. Това е следващата стъпка, за да се превърнат леките твърдотелни батерии в в нещо практически възможно.

Новото изследване, публикувано днес в списание Joule, извършено от учени на Масачузетския технологичен институт и Университета Браун, изглежда решава въпроса. 

Те вече са установили причините за образуването на дентритите. Показват и как може да се предотврати преминаването им през електролита. 

В началото на работата си те са направили „изненадващо и неочаквано“ откритие. Именно, че твърдият електролитен материал може да бъде пробит от литий, който е много мек метал, по време на процеса на зареждане и разреждане на батерията. Тогава йоните на лития се движат между двете страни.

Това преместване на йоните напред-назад води до промяна на обема на електродите. Това неминуемо води до напрежение в твърдия електролит, който трябва да остане в пълен контакт с двата електрода, между които е поставен. 

Точно в тези пукнатини после се образуват дендритите.

Решението на проблема се оказва повече напрежение, приложено в правилната посока и с правилната сила. Докато преди някои изследователи смятаха, че дендритите се образуват чрез чисто електрохимичен процес, а не чрез механичен, експериментите на екипа показват, че проблемът се дължи на механични напрежения.

Процесът на образуване на дендрити обикновено протича дълбоко в непрозрачните материали на акумулаторната клетка. Не може да бъде наблюдаван директно, затова разработват начин за създаване на тънки клетки, използвайки прозрачен електролит. 

Това позволява целият процес да бъде наблюдаван и записван директно. 

Екипът демонстрира, че може директно да манипулира растежа на дендритите просто чрез прилагане и освобождаване на натиск. Towa кара дендритите да се движат на зиг-заг в пълно съответствие с посоката на силата.

Прилагането на механични напрежения върху твърдия електролит не премахва образуването на дендрити, но контролира посоката на растежа им. Това означава, че те могат да бъдат насочени да останат успоредни на двата електрода и да им се попречи да преминат някога на другата страна, като по този начин се обезвредят.

При тестовете си изследователите използват натиск, предизвикан от огъването на материала, който е оформен като греда с тежест в единия край. Но те твърдят, че в практиката могат да се използват много различни начини за създаване на необходимото напрежение. Например електролитът би могъл да бъде изработен от два слоя материал с различно термично разширение, така че да има присъщо огъване на материала, както се прави в някои термостати.

Друг подход би бил материалът да се „натовари“ с атоми, които да се вградят в него, да го изкривят и да го оставят в постоянно напрегнато състояние.

Това е същият метод, който се използва за производството на свръхтвърдо стъкло, използвано в екраните на смартфони и таблети.

Експериментите показват, че налягане от 150 до 200 мегапаскала е достатъчно, за да спре дендритите да пресичат електролита. Нещо напълно допустимо в масовите производствени процеси.