Vědci zjistili prokazatelnou příčinu záhadného zkratu a selhání lithiových kovových baterií s pevnými elektrolyty. Což je objev, který by mohl vést k novým konstrukcím a metodám výroby baterií, které pomohou tomuto problému předejít.
Tým ze Stanfordské univerzity a národní laboratoře akcelerátorů SLAC Ministerstva energetiky USA prokázal prostřednictvím více než 60 experimentů, že keramické elektrolyty v srdci mnoha dnešních baterií jsou často posety nanoskopickými trhlinami a prasklinami.
Mnoho z těchto nedokonalostí v keramických elektrolytech může měřit pouhých 20 nanometrů na šířku. A to ve srovnání s listem papíru, který měří asi 100 000 nanometrů.
Ale kvůli mechanickému namáhání, jako je ohýbání nebo kroucení, mohou být vytvořeny trhliny a praskliny, které umožňují vniknutí lithia. Což způsobí zkrat nebo selhání baterie.
„Jen mírné promáčknutí, ohnutí nebo zkroucení baterií může způsobit, že se nanoskopické trhliny v materiálech otevřou a lithium pronikne do pevného elektrolytu. A následně tak způsobí jeho zkrat,“ říká William Chueh, hlavní autor a docent materiálové vědy a inženýrství na School of Engineering a energetických věd a inženýrství na nové Stanford Doerr School of Sustainability.
Keramické elektrolyty v bateriích se zdají plné trhlin a prasklin
,,Dokonce i prach nebo jiné nečistoty vnesené do výroby mohou generovat dostatečné napětí, které způsobí selhání.“
Nový výzkum slouží k vysvětlení prostřednictvím přísných a statisticky významných experimentů, jak defekty v nanoměřítku a mechanické namáhání způsobují selhání pevných elektrolytů.
Každý experiment, který vědci provedli, aplikoval elektrickou sondu na pevný elektrolyt. Čímž vytvořili miniaturní baterii, a použili elektronový mikroskop k pozorování rychlého nabíjení v reálném čase.
Dále vědci použili iontový paprsek jako ultra přesný skalpel. Proto, aby zjistili, proč se lithium na některých místech shromažďuje na povrchu keramického elektrolytu, ale na jiných místech se zavrtává hlouběji a hlouběji. Což nakonec způsobí zkrat.
Poté, co se provedly všechny experimenty, vědci dospěli k závěru, že rozdílem byl tlak.
Konkrétně, když jedna z jejich elektrických sond pouze spočívá na povrchu elektrolytu, lithium se shromažďuje v horní části elektrolytu. I když se baterie nabije za méně než jednu minutu.
Když se však sonda zatlačí do keramického elektrolytu – napodobujíce mechanické namáhání vtlačením, ohýbáním, kroucením atd. Výzkumníci zjistili, že je pravděpodobnější, že dojde ke zkratu baterie.
„Pokud máme příležitost zavrtat se do elektrolytu, lithium si nakonec prorazí cestu a spojí katodu a anodu,“ říká Geoff McConohy, spoluautor studie.
„Když se to stane, baterie selže.“
Další na řadě je pro výzkumníky využití jejich nových znalostí k vytvoření metod pro záměrné použití stejných mechanických sil. Proto, aby se materiál během výroby zpevnil. Výzkumníci také plánují hledat způsoby, jak pokrýt povrch elektrolytu, aby se zabránilo prasklinám, nebo jak opravit praskliny, pokud se objeví.
Zdroj: thedriven, Vapol
