Testovala se dávka li-iontových mincových buněk. | Fotografický kredit: UCL Fakulta matematických a fyzických věd
Vědci hlásili v Věda To, že klíč k opravě selhání baterie (SSB) v pevném stavu může spočívat v dobře zdokumentovaných mechanických zákonech a připravovat cestu pro delší provozní životnost.
Baterie se skládá z elektrolytu sendviče mezi pozitivní katodou a negativní anodou. „Ve většině baterií, včetně lithium-iontových baterií ve vašem mobilním telefonu, je tento elektrolyt tekutým roztokem, velmi podobným soli ve vodě, který umožňuje iontům pohybovat se tam a zpět z elektrod,“ řekla Naga Phani B. Aetukuri, docentka na indickém institutu vědy, Bengaluru, Bengaluru, která se nezúčastnila nové studie. Jeho tým patří mezi Nejlepší skupiny v Indii Vývoj SSB.
V baterii se ionty pohybují volně elektrolytem, zatímco elektrony proudí z katody do anody přes externí obvod a nabíjí baterii. V opačném procesu cestují elektrony, které se dává lithium (LI) anodou, do katody přes vnější obvod a napájí jej. Uvnitř baterie se odpovídající lithiové ionty snižují katodu přes elektrolyt během výboje.
„Chlupavé kořeny“
V baterii SSB li-ion je elektrolytem keramickým blokem. Pevné elektrolyty vydrží déle, mohou ukládat více energie a nejsou ani těkavé ani hořlavé. Jejich pevná struktura dobře odděluje dvě elektrody a snižuje potřebu objemného bezpečnostního vybavení a jejich hmotnosti. V současné době použijí kardiostimulátoři a chytré hodinky SSB.
Na druhou stranu, pevné látky mohou prasknout, takže pevné elektrolyty jsou nehostinné pro změny objemu nebo vyšší napětí. To způsobuje přetrvávající problém nazývaný růst dendritu. Li ionty kyvadlové dole na anodu při nabíjení a jsou tam uloženy, vytvářejí lithiová vlákna v anodě.
„Už jste někdy viděli chlupaté kořeny rostoucí z centrálního kořene? To se vyskytuje v rostlinách, aby se maximalizovala jejich schopnost přijímat živiny,“ řekl Aetukuri. Jako kořen rostlin se anoda snaží absorbovat co nejvíce iontů. „Dendritický růst LI v SSB maximalizuje schopnost anody přijímat nejvíce liontů přicházejících.“ Ale stejně jako kořeny pronikají horniny, dendrity propíchnou vrstvu elektrolytu a dosáhnou katody a vytvářejí zkrat.
Provozní mikroskopie
Vědci neznají skutečný fyzický mechanismus, který způsobuje takové selhání. Nyní vědci z Tongji University v Šanghaji a dalších institucích uvedli, že odpověď může spočívat ve známém mechanickém problému.
Kovové materiály podléhají únavě v důsledku cyklického zatížení a vykládky. Praskliny a zlomeniny z únavy účtovat více než 80% selhání inženýrství. Vědci usoudili, že jako kov by monoda LI v baterii mohla utrpět podobné poškození více cykly pronásledování náboje.
Dendrity „jsou mikroskopické rysy, což znamená, že k jejich vizualizaci potřebujete mikroskop. A musíte vidět, když rostou – tehdy, když je buňka v provozu,“ řekl Aetukuri. Za tímto účelem vědci používají techniku zvanou operando skenovací elektronová mikroskopie: „Speciální mikroskopická technika, kde jsou elektrony světlo, které vám umožní vidět, co se děje při malých rozměrech.“
Vědci pozorovali rozhraní anodově elektrolytu pod tímto mikroskopem a sledovali jeho vývoj, když nabili a vypouštěli mincovskou buňku. Buňka byla zpočátku stabilní, ale po 30 minutách vypukly mikroskopické dutiny, zvětšené a zabaleny do sebe. Elektrolyt konečně vyštěkl a buňka byla zkratována při 145. cyklu, i když množství proudu bylo jen desetinou maxima, kterou mohla buňka tolerovat.
Ohnutý sem a tam
„Použití malého proudu v jednom směru nemusí vést k selhání, ale opakované cykly nabíjení a vybíjení mohou tvořit strukturální vady, jako jsou praskliny, skluzavky a dutiny,“ komentář zveřejněno vedle příspěvku. Když baterie podstoupila cykly pronásledování nabití, Li byla odstraněna od anody, než byla nanesena zpět na ni, a změnila množství síly vyvíjené na anodu.
„Můžete odříznout drát pomocí řezačky na jediné jízdě. … Pokud nemáte řezačku, můžete drát ohýbat zpět a zpět několikrát a drát se po několikrát kvůli únavě zlomí,“ řekl Aetukuri. „Tato práce ukazuje, že cyklování buňky při nízkých rychlostech, což odpovídá několikrát nízkým napětím, může také vést k selhání buněk.“
„I když se ve výrobě příliš nezmění, modely baterií, které předpovídají selhání SSB, budou kvůli této práci mnohem sofistikovanější a pravděpodobně přesnější,“ řekl Aetukuri. Vědci napsali, že budoucí studie by měly zkoumat, jak se vztahy LI na stresovém nasazení mění s mírou cyklistiky a teploty.
Unnati Ashar je novinář na volné noze.
Publikováno – 18. května 2025 06:00
