Vedci z Massachusetts Institute of Technology prišli s objavom, ktorý môže zásadne ovplyvniť vývoj batérií budúcnosti. Pozreli sa na problém, ktorý brzdil takzvané solid-state batérie celé desaťročia a zistili, že ho chápeme nesprávne.
Tieto batérie s pevným elektrolytom sľubovali viac energie, vyššiu bezpečnosť aj dlhšiu životnosť než klasické lítium-iónové články. Namiesto kvapaliny používajú pevný materiál a ako anódu často čistý lítiový kov. Práve ten spôsobuje problém, ktorý vývoj prakticky zasekol.
Odoberaj Vosveteit.sk cez Telegram a prihlás sa k odberu správ
Tým problémom sú takzvané dendrity, teda drobné kovové „trhliny“, ktoré postupne prerastú elektrolytom. Keď sa dostanú na druhú stranu, spôsobia skrat a batéria zlyhá.
Ukázalo sa, že dendrity boli roky podceňované
Vedci dlhé roky verili, že dendrity vzniknú kvôli mechanickému tlaku. Predstavovali si ich ako praskliny v betóne, ktoré vytlačí rastúci koreň. Predpokladali teda, že ak elektrolyt zosilnie, trhliny sa zastavia. Nový výskum ale ukázal pravý opak.
Zdroj: MIT – Cole Fincher, Yet-Ming Chiang (CC BY-NC-ND)
Tím vytvoril špeciálnu batériu, do ktorej vedci videli zboku, a sledoval rast dendritov priamo v reálnom čase. Zároveň použil optickú metódu na meranie napätia v materiáli.
Populárna spravodajská aplikácia pre iOS a Android dostala veľkú aktualizáciu. Pribudlo množstvo nových funkcií, ktoré musíš vyskúšať
„Očakávali sme, že rýchlejší rast dendritov vytvorí vyššie napätie. Namiesto toho sme videli presný opak,“ vysvetlil Yet-Ming Chiang, jeden z autorov výskumu.
Čím rýchlejšie dendrity rástli, tým nižší tlak v okolí namerali.
Kľúčom k tomuto objavu bola metóda, ktorá funguje podobne ako polarizačné slnečné okuliare. Keď svetlo prešlo cez namáhaný materiál, zmenilo svoju orientáciu a vytvorilo farebné vzory. Ide o rovnaké vzory, ktoré si môžeš vidieť na skle auta alebo plastovom pravítku, keď ho ohneš.
Vedci tak prvýkrát „videli“ mechanické napätie priamo počas rastu dendritu. Namiesto očakávaného nárastu sa napätie znižovalo. To bol moment, ktorý otočil celé chápanie problému.
Výskumníci skúsili použiť na riešenie problému špeciálny materiál
Výskum sa zameral na materiál známy ako LLZO (oxid lítia, lantánu a zirkónu). V odborných kruhoch ide o jeden z najperspektívnejších pevných elektrolytov.
Je extrémne tvrdý a považoval sa za ideálne riešenie proti dendritom. Výskumníci mali jasnú myšlienku, ak aj tento „supermateriál“ počas nabíjania stratí pevnosť, problém nebude len v kvalite materiálu, ale v samotnej chémii.
Práve pri tomto experimente sa ukázalo, že problém nespôsobí tlak, ale chemická reakcia. Keď batéria pracuje, elektrický prúd tlačí lítiové ióny cez elektrolyt. Na špičke dendritu vznikne extrémne koncentrovaný tok, ktorý začne materiál rozkladať. Elektrolyt tak stratí pevnosť ešte predtým, než sa dokáže „brániť“.
Trhliny vznikli už pri napätí, ktoré dosiahlo len asi štvrtinu očakávanej hodnoty. Materiál teda zoslabol počas samotnej prevádzky.
„Keď otestujeme elektrolyt samostatne, je pevný ako zub. Počas nabíjania ale výrazne zoslabne, skôr pripomína krehké lízatko,“ opisuje scenár spoluautor výskumu, Cole Fincher.
Vedci sa na dendrity pozreli na úrovni atómov
Autori štúdie použili pokročilé zobrazovanie pri extrémne nízkych teplotách, vďaka čomu atómovej úrovni videli, čo sa deje v okolí dendritu.
Elektrický prúd spustil rozpad kryštalickej štruktúry elektrolytu. Materiál zmenil objem a stal sa krehkejším. Tento proces vysvetlil, prečo dendrity dokázali prerásť aj cez tvrdé materiály.
Zdroj: Vosveteit.sk, AI
Tento objav mení spôsob, akým veda začína uvažovať o solid-state batériách. Prvá cesta vedie cez chemické bariéry. Ide o ultratenké vrstvy medzi lítiom a elektrolytom, ktoré zabránia priamemu kontaktu a následnej reakcii.
Druhá cesta ide ešte ďalej. Vedci skúmajú materiály, ktoré pri vzniku trhliny zareagujú, spevnia sa alebo ju „zalepia“. Takéto správanie pripomína samoopravné systémy.
„Objavili sme nový mechanizmus rastu dendritov, ktorý nám umožní hľadať riešenia a navrhnúť úspešné solid-state batérie,“ dodáva Chiang.
Solid-state batérie stále lákajú obrovským potenciálom. Lítiový kov dokáže uložiť viac energie než dnešné materiály, čo by znamenalo výrazne dlhšiu výdrž zariadení alebo väčší dojazd elektromobilov.
Tento výskum ale ukázal, že problém je hlbší, než sa zdalo. Nestačí vytvoriť pevnejší materiál. Treba pochopiť a kontrolovať chemické procesy, ktoré ho počas používania menia.
Páčil sa vám článok? Sledujte nás na Facebooku