Na łamach Nature możemy zapoznać się z bardzo interesującą pracą zbiorową naukowców z Uniwersytetu Oxfordzkiego w Wielkiej Brytanii. Postanowili oni zbadać proces powstawania dendrytów w skali mikro i makro. Okazuje się, że drzewkowate struktury są bardziej skomplikowane, niż wcześniej sądzono.
Czytaj też: Kariera tych akumulatorów dopiero się rozkręca. Wanad w bateriach przepływowych idzie do lamusa
Mówiąc o dendrytach, mamy od razu na myśli stałe akumulatory litowe (all-solid-state batteries, SSB), które w odróżnieniu od klasycznych litowo-jonowych nie posiadają płynnego elektrolitu. W SSB jest nim dokładnie stały materiał ceramiczny. Taka konstrukcja wpływa korzystanie na wzrost wydajności akumulatora, ale niestety przyczynia się do łatwego powstawania „erozyjnych” struktur.
Awaria przyszłościowych akumulatorów przeanalizowana w każdej skali
Naukowcy donoszą, że powstawanie dendrytów polega na jednym z dwóch zjawisk: inicjacji i propagacji, czyli w luźnym tłumaczeniu – rozpoczęcia i kontynuacji. Wcześniej w badaniach naukowcy były one brane za dwa etapy jednego procesu, a tutaj dowiadujemy się, że mogą one zachodzić niezależnie od siebie.
Pierwsza faza polega na osadzaniu się litu w porach podpowierzchniowych za pomocą mikropęknięć. Następnie kolejne ładowania akumulatora powodują wzrost ciśnienia i powolne wydobywanie się litu z porów oraz pogłębianie się pęknięć.
Natomiast propagacja zaczyna się od otwarcia się suchej szczeliny, która nie musi wypełnić się w całości litem, aby doprowadzić do powstania dendrytu. Bardzo ciekawe wideo prezentujące rozwój dendrytu opublikował Peter Bruce, jeden z badaczy.
Okazuje się, że oba procesy zależą od innych czynników. O ile inicjacja jest warunkowana lokalną, mikroskopową wytrzymałością na pękanie na granicach ziaren, wielkością porów czy gęstością prądu, to propagacja zależy od makroskopowej odporności ceramicznego elektrolitu na pękania, gęstości prądu czy pojemności ładunku.
Tak szczegółowa analiza powstawania dendrytów w akumulatorach SSB będzie bardzo przydatna przy projektowaniu w przyszłości skalowanych systemów bateryjnych.