Baterie solid-state (baterie z elektrolitem stałym) od lat uchodzą za przyszłość magazynowania energii – oferują wyższą gęstość energetyczną, większe bezpieczeństwo i potencjalnie dłuższą żywotność niż tradycyjne baterie litowo-jonowe. Jednak ich masowe wdrożenie wciąż napotyka na poważne przeszkody technologiczne. Jedną z nich jest powstawanie dendrytów – mikroskopijnych struktur litowych, które mogą prowadzić do zwarć i awarii ogniw.

Widok objętościowy elektrolitu baterii w stanie stałym uwypukla, w jaki sposób tworzą się dendryty (pokazane na niebiesko) i mogą zwierać zaciski baterii. Obraz wykorzystany dzięki uprzejmości Florida State University. Źródło: All About Circuits

Diagnostyka ogniw – badania z Florida State University

Zespół naukowców z Florida State University (FSU) wykorzystał innowacyjne techniki obrazowania – 21-teslowy magnes MRI oraz sondę NMR – aby zbadać mikroskopijne procesy wewnątrz baterii solid-state. Dzięki temu udało się zajrzeć głębiej niż kiedykolwiek wcześniej w strukturę ogniw z elektrolitem stałym.

– Nasze dane rzucają nowe światło na mikrodynamikę baterii solid-state – komentuje prof. Yan-Yan Hu, główna autorka badania (Nature Materials, marzec 2024).

Czym są dendryty i dlaczego są groźne?

Dendryty litowe to cienkie, igłowate struktury, które mogą przenikać przez elektrolit stały w trakcie cykli ładowania. Ich wzrost prowadzi do:

• zwarć wewnętrznych,
• spadku pojemności baterii,
• potencjalnych awarii termicznych.

Co więcej, najnowsze odkrycia pokazują, że dendryty nie formują się wyłącznie na powierzchni elektrod, ale również w głębi elektrolitu stałego – co czyni je jeszcze trudniejszymi do wykrycia i neutralizacji.

Kluczowe wnioski z badania FSU

Nowa metodologia pomiarowa pozwoliła badaczom ustalić:

• Dendryty formują się również wewnątrz struktury elektrolitu, a nie tylko na granicach faz.
• Ich obecność wpływa na mikrodynamikę jonów litu i może prowadzić do lokalnych przegrzań.
• Nowe techniki diagnostyczne mogą pomóc przewidywać zachowanie baterii na etapie projektowania.

To pierwszy raz, kiedy udało się zaobserwować takie zjawiska na żywo – bez rozcinania ogniwa.

Zrozumienie dokładnych mechanizmów powstawania dendrytów może radykalnie zmienić sposób, w jaki projektujemy i testujemy baterie solid-state. Potencjalne korzyści to:

• Zwiększenie bezpieczeństwa baterii w samochodach elektrycznych.
• Wydłużenie ich żywotności poprzez eliminację źródeł zwarć.
• Lepsze prognozowanie awarii już na etapie laboratoryjnym.

Co to oznacza dla elektromobilności i energetyki odnawialnej?

Rozwiązanie problemu dendrytów może otworzyć drogę do masowej produkcji baterii solid-state w takich zastosowaniach jak:

• samochody elektryczne nowej generacji,
• magazyny energii dla OZE,
• przenośna elektronika o przedłużonej pracy.

Według prognoz BloombergNEF, do 2030 roku nawet 40% pojazdów elektrycznych może być zasilanych bateriami solid-state.

Źródło: informacje prasowe