Shkencëtarët kanë zbuluar përmasa mekanike të “thorns” nanometrike që formohen brenda baterive me litium-jon, të cilat mund të shkaktojnë një qark të shkurtuar dhe dëmtimin e baterisë – ose më keq, siç është ndezja spontane.
Këto “thorns”, të njohura si dendrite, kanë qenë të vështira për studim dhe kuptim – deri tani.
Ndërsa shkencëtarët kanë studiuar dendritet brenda qelizave për një kohë, hulumtues në Singapor dhe në disa universitete amerikane, përfshirë Institutin e Teknologjisë të New Jersey (NJIT), kanë zbuluar disa përmasa mekanike kryesore që kontribuojnë në formimin dhe zgjerimin e tyre, duke hapur rrugën për të gjetur mënyra për të penguar rritjen e tyre.
“Përkundër dhjetëra vite studimi, përmasat nanomekanike themelore të dendriteve të litiumit mbeten një mister – deri tani”, tha co-autori kryesor, Qing Ai, një ish-shkencëtar kërkimor në Universitetin Rice.
Dendritet e litiumit – rreth 100 herë më të holla se një flok qëndore njerëzore – mund të formohen brenda një baterie gjatë ngarkimit, duke u rritur nga anodi, ose terminali negativ. Zakonisht, litiumi duhet të shpërndahet në mënyrë uniforme në sipërfaqen e terminalit negativ gjatë ngarkimit, por ai mund të grumbullohet në strukturat me forma të gjata, si gjilëra, që depërtojnë ngadalë në bateri. Brenda qelizes, separatori i hollë midis elektrodi i negativ dhe pozitiv është në rrezik të thyhet nga këto dendrite, duke ekspozuar anën pozitive të baterisë.
Kontakti mund të shkaktojë një qark të shkurtuar – i cili gjithashtu mund të gjenerojë nxehtësi dhe të dëmtojë baterinë. Nga këtu, ekzistojnë disa mundësi – në raste ekstreme, nxehtësia dhe reaksionet kimike nga qarku i shkurtuar mund të shkatërrojnë baterinë ose të shkaktojnë një zjarr. Në skenarë më të butë, kjo është gjithashtu e dëmshme – pasi fragmentet e thyer të dendriteve janë thellësisht të dëmtuara, litium i pavendosur që është i paaftë për të ruajtur energji.
“Dendritet e litiumit njihen gjerësisht si një nga pengesat më të mëdha për komercializimin e baterive me metale litium”, tha co-autori kryesor, Xing Liu, një profesor asistent i inxhinierisë mekanike dhe industriale në NJIT. “Gjatë funksionimit të baterisë, dendritet e litiumit mund të formohen, të thyhen dhe të izolohen elektrikisht nga anodi i metalit të litiumit, duke krijuar atë që njihet si ‘litium i vdekur’. Ky proces çon në një humbje graduale të kapacitetit të baterisë me kalimin e kohës. Përveç kësaj, dendritet mund të depërtojnë në separator dhe të krijojnë një qark të shkurtuar të brendshëm midis anodit dhe katodit. Si humbja e kapacitetit ashtu edhe rreziku i qarkut të shkurtuar i lidhur me dendritet vëzhgohen zakonisht në studimet laboratorike.”
“Aktualisht, nuk ekziston një metodë praktike për të ‘pastruar’ dendritet nga një qelizë baterie që funksionon”, shtoi Liu.
Megjithatë, ekipi i madh i kërkuesve pas këtij studimi është një hap më pranë gjetjes së një mënyre për të penguar rritjen e tyre plotësisht. Ekipet nga Universiteti Rice, Instituti i Teknologjisë i Gjeorgjisë, Universiteti i Houston dhe Universiteti Nanyang Technological i Singaporit mbledhën me kujdes dendrite nga bateritë që funksiononin për të testuar forcat e tyre mekanike. Ata krijuan hapësira të sigurta për të studiuar dendritet e mbledhura – sepse litiumi reagon shumë dhe transformohet kimikisht kur ekspozohet në oksigjen – dhe përdorën mikroskopinë elektronike me rezolucion të lartë për të kuptuar më mirë sjelljen e këtyre “sabotazhorëve” të baterisë.
“Për të mundësuar studimin kuantativ të dendriteve të litiumit, ne zhvilluam platforma të personalizuara për përgatitjen e mostrave dhe karakterizimin mekanik për këtë punë të delikate”, tha co-autori Boyu Zhang, një doktor i Rice.
Ajo që shumë njerëz nuk e dinë është se, kur ka mjaft, litiumi është i lëmuar dhe “i butë”, dhe hulumtuesit supozuan se dendritet do të kishin prona fizike të ngjashme. Megjithatë, ata u habitën të zbulonin se, përmes eksperimenteve të tyre, këto rritje sillen në mënyrë të papritur.
“Ne kryem simullime për të shpjeguar pse dendritet e litiumit sillen ndryshe nga ajo që është menduar më parë”, tha Liu. “Dendritet e litiumit janë supozuar të jenë të buta dhe elastike, si plastelina.”
“Por vëzhgimet tona sugjerojnë se ato mund të jenë të forta dhe të brishtë – duke thyer më shumë si spageti i thatë”, shtoi ai.
Themelimisht, pas formimit të këtyre dendriteve të vogla, formohet një fazë elektrolyte e ngurtë (SEI) rreth tyre, dhe ky shtresë i kthen rritjet në shpikë të forta, me formë gjilëre që mund të depërtojnë në komponentët e qelizave të baterisë. Por ato mund të thyhen nën stres dhe, siç u përmend më parë, të bëhen mbeturina e litiumit që zvogëlon fuqinë e baterisë.
“Kuptimi i fizikës themelore ofron njohje të reja se si të bëhet dendritet më pak të prirë ndaj thyerjes – për shembull, duke përdorur anoda aliazh litium”, shpjegoi Liu.
Me këtë kuptim të ri, hulumtuesit janë të etur për të gjetur një mënyrë për të bllokuar shtresin SEI që forcon këto dendrite, dhe në vend të kësaj, për të parandaluar këto “thorns” të transformohen në “spageti” të forta që dëmtojnë qelizat e baterisë.
“Mikroskopia elektronike e transmetimit me kriogeni dhe modelimi mekanik treguan se ky sjellje rrjedh nga kufizimet e ndërfaqes elektrolyte të ngurtë dhe forcuari në nivelin nanometrik”, vërejtën hulumtuesit. “Gjetjet këto ofrojnë mekanizma alternative për depërthimin e dendriteve dhe formimin e litiumit të vdekur, si dhe udhëzim për strategjitë e dizajnit për bateritë e metalit të litiumit.”
Ndërsa ende po zbulojmë këtë dukuri specifike për burimet e energjisë me litium-jon, ky është një hap i rëndësishëm përpara në zhvillimin e mënyrave për të sabotuar dendritet përpara se ato të kenë mundësi ta bëjnë këtë me bateritë.
Një artikull mbi këtë hulumtim u botua në revistën Science.
Burimi: Instituti i Teknologjisë të New Jersey
Burimi: newatlas.com
