Kiinteän olomuodon akkujen oikosulun ymmärtäminen

Akkujen lupaavimpia seuraavan sukupolven teknologioita ovat kiintoaineakut, joiden avulla akkukäyttöiset laitteet voisivat toimia jopa kolmanneksen pidempään.

Yksi merkittävä haaste kuitenkin rajoittaa edelleen niiden kaupallista käyttöä. Latauksen aikana muodostuu mikroskooppisia tunkeumia, joita kutsutaan dendriiteiksi. Nämä pienet puumaiset rakenteet kasvavat anodista, tunkeutuvat kiinteään elektrolyyttiin ja aiheuttavat oikosulkuja akun sisällä.

Max Planck -instituutin kestävien materiaalien monitieteinen tutkimusryhmä on nyt selvittänyt, miten dendriitit aiheuttavat murtumia, jotka johtavat oikosulkuun.

Dendriittien muodostuminen kiinteän olomuodon akuissa on epälooginen ilmiö. ”Vaikka elektrodit ja muodostuvat dendriitit koostuvat litiummetallista, joka on pehmeää kuin nallekarkki, dendriitit pystyvät tunkeutumaan keraamiseen elektrolyyttiin ja johtamaan oikosulkuun”, sanoo tohtori Yuwei Zhang, uuden julkaisun ensimmäinen kirjoittaja.

”Miten pehmeät dendriitit voivat murtaa jäykän kiinteän keraamimateriaalin? On olemassa kaksi hypoteesia: joko dendriittien sisään muodostuu sisäistä jännitystä, joka aiheuttaa kiinteän elektrolyytin mekaanisen murtumisen. Tai elektronit vuotavat kiinteän elektrolyytin raerajoja pitkin, mikä edistää litiumytimien muodostumista, jotka myöhemmin yhdistyvät.”

Kummankin hypoteesin todistamiseksi tutkijat käyttivät monimutkaista näytteenvalmistus- ja materiaalin karakterisointitekniikoiden järjestelmää, joka karakterisoitiin kokonaan tyhjiössä ja kryogeenisissä lämpötiloissa, jotta happi, vesi tai mikroskooppien elektronisuihku eivät vaikuttaisi asiaan.

Max Planck -tiimi analysoi halkeamien sisällä olevien litiumtunkeutumien jännitystilaa ja plastista aktiivisuutta ja pystyi osoittamaan, ettei litiumia ollut rikastettu ennen dendriitin kärkeä. ”Pehmeä litiummetalli pystyy tunkeutumaan jäykkään keraamiseen elektrolyyttiin, kuten jatkuva vesisuihku, joka lävistää kallion. Laskimme, että dendriitin hydrostaattinen jännitys johtaa lopulta kiinteän elektrolyytin haurasmurtumaan”, Zhang sanoo.

Selvitettyään, miten dendriittien aiheuttama halkeilu syntyy, tutkijat etsivät nyt strategioita sen estämiseksi. Mahdollisia lähestymistapoja ovat kiinteän elektrolyytin sitkeyden lisääminen halkeamien muodostumisen hidastamiseksi, mikroskooppisten onteloiden luominen, jotka ohjaavat dendriittien kasvua ja ohjaavat halkeamia, tai suojaavien pinnoitteiden levittäminen litiumelektrodeihin dendriittien muodostumisen estämiseksi.

Nämä havainnot korostavat, kuinka ratkaisevan tärkeää materiaalien käyttäytymisen perusteellinen ymmärtäminen on lupaavien teknologioiden muuttamiseksi käytännön sovelluksiksi.

Aiheesta aiemmin:

Miksi kiintoaineakuissa on oikosulkuja

Kaksitoiminen heterorajapinta sinkki-ioniakuille