Eit amerikansk forskarlag har avdekt noko overraskande om lithiumbatteri
For aller første gong har eit amerikansk forskarlag undersøkt dei mekaniske eigenskapane til dei mikroskopiske strukturane som dannar seg inne i lithiumakkumulatorar. Funna endrar på ein grunnleggjande måte korleis vi forstår batteridesign.
Eit vanleg lithium-ion-batteri i ein telefon eller elbil er bygd opp av to elektrodar skilde av eit tynt isolerande sjikt – ein separator. Under lading byrjar det å veksa fram mikroskopiske nåler på overflata av lithiumanoden. Forskarar kallar desse strukturane for dendrittar. Dei er opptil hundre gonger tynnare enn diameteren på eit menneskehår.
Kva skjer når dendrittar veks ukontrollert?
Desse nålforma strukturane veks for kvar einaste ladingssyklus. Når dei til slutt er lange nok til å trengja gjennom separatoren, oppstår det ein intern kortslutning for elektroar. I staden for å strøyma gjennom den ytre kretsen, bevegar ladninga seg direkte frå den eine elektroden til den andre.
Resultatet er ein intern kortslutning, rask oppvarming, fallande kapasitet og i verste tilfelle brann eller eksplosjon. Det er rekna med at denne forma for gradvis skade råkar millionar av batteri kvart år. Produsentar prøver typisk å skjula problemet ved hjelp av reservekapasitet og aggressive tryggleikssystem – men naturlovane lèt seg ikkje lura i det uendelege.
Alle tok feil – dendrittar er slett ikkje mjuke
Dei seinare åra har ein rekna med at dendrittar er like plastiske som fast lithium i rein form. Det verka logisk: sidan dei dannar seg av dette materialet, burde dei ha tilsvarande eigenskapar. Heile batteristrategiar vart bygde opp rundt denne førestellinga – frå nye elektrolyttar til forsterka separatorar.
Eit forskarlag frå New Jersey Institute of Technology og Rice University bestemte seg for å testa denne tilsynelatande innlysande hypotesen eksperimentelt. Dei brukte eit avansert elektronmikroskop i vakuum for å eliminera påverknad frå oksygen og fukt. Deretter bøygde forskarane individuelle dendrittar éin for éin og målte korleis dei reagerte under belastning.
Det dei såg, passa ikkje inn i nokon lærebok. I staden for ei jamn deformasjon knekte lithiumnålene brått – utan føregåande bøying. Dendrittar oppfører seg som sprø, stive mikronåler, ikkje som mjukt og bøyeleg metall.
Den målte styrken var sjokkande høg
Den målte trekkstyrken nådde opp mot om lag 150 megapascal, medan fast lithium berre har 0,6 megapascal. Vi snakkar altså om strukturar som er meir enn to hundre gonger hardare enn det materialet dei oppstår frå. Forklaringa ligg i eit ultratynnt oksidlag som dannar seg på overflata av nålene på berre eit augneblink.
Dette nanometerlaget er berre nokre få nanometer tjukt, men det endrar fullstendig åtferda til materialet – frå mjukt metall til ein hard, sprø struktur som minner om keramikk. Desse resultata er publiserte av forskarar frå universitet i New Jersey og i Houston, Texas.
Difor mistar lithiumbatteri kapasitet – og kan byrja å brenna
Forskarane identifiserte fleire sentrale problem knytte til dendrittar:
- Mikroskopiske lithiumnåler trengjer gjennom separatoren og skapar interne kortslutningar
- For kvar lading veks dendrittar seg lengre
- Oksidlaget på overflata endrar eigenskapane til materialet frå mjukt til sprøtt
- Avbrotne fragment dannar det som kallast daudt lithium inne i batteriet
- Daudt lithium bidreg ikkje lenger til den kjemiske reaksjonen, men vert verande i elektrolytten
- For kvar syklus fell mengda aktivt lithium – og dermed den samla kapasiteten
- Elbilane mistar gradvis rekkevidde, og smarttelefonar mistar batterikapasitet
Kvar ladingssyklus produserer fleire fragment. Over tid fell kapasiteten med titals prosent. Brukaren opplever det som stadig kortare driftstid på telefonen eller redusert rekkevidde i elbilen. Batteriet er ikkje fysisk slite ned – men ein stor del av materialet har vorte elektrokjemisk ubrukeleg.
Tre gonger så lang rekkevidde vert blokkert av dendrittfysikk
Heile denne problematikken vert endå meir avgjerande når vi ser på teknologien bak lithium-metall-batteri. I denne løysinga vert grafittanoden erstatta med reint lithium. I praksis ville det bety ein opptil tre gonger høgare energitettleik. Ein elbil ville kunna køyra ikkje tre hundre, men åtte til ni hundre kilometer på éi lading – utan at batteriet treng å verta større.
Det høyrest ut som den heilage gral innanfor elbilteknologi. Ikkje rart at store konsern investerer milliardar av dollar i forsking på dette området. Problemet er at dendrittar er aller farlegast nettopp i slike batteri – dei veks raskare og i langt større tal enn i klassiske lithium-ion-akkumulatorar.
Forskarar frå NJIT målte ei mekanisk styrke som overraska sjølv dei mest røynde ekspertane. Dei stive mikrostrukturane kan lett trengja gjennom separatoren og visse polymere eller keramiske materiale. Det forklarar kvifor noverande konsept med faste elektrolyttar ikkje strekk til.
Nytt syn på batteri – materiale må tola harde nåler
Noverande konsept for supersikre akkumulatorar byggjer ofte på såkalla faste elektrolyttar. Teoretisk sett burde eit slikt materiale vera meir motstandsdyktig enn ei væske og blokkera dendrittvekst som eit pansarskjold. Dei nyaste resultata tyder likevel på at det ikkje er nok.
Forskarane peiker på tre moglege retningar for det vidare arbeidet. Den første er utvikling av nye lithiumlegeringar – tilsetjing av andre grunnstoff for å avgrensa danninga av det harde oksidlaget og endra vekstmønsteret til nålene. Den andre retninga handlar om separatorar med ei fleksibel oppbygging, som ikkje berre er sterkare, men òg kan absorberast mekanisk spenning.
Den tredje vegen er tilsetjingsstoff i elektrolytten – kjemiske sambindingar som styrer krystallstrukturen i nyleg danna dendrittar, slik at dei veks saktare eller i ein tryggare retning. Slike løysingar kan gjera framtidas batteri med høg energitettleik ikkje berre meir kapasitetsrike, men òg merkbart meir haldbare og mindre utsette for plutselege feil.
Kva betyr dette for elbilane og energilagring?
Dersom det lukkast å tøyma dendrittar fullt ut, kan lithium-metall-akkumulatorar verta standarden i køyrety med ei rekkevidde som er samanliknbar med – eller jamvel overgår – klassiske forbrenningsbilar. For den vanlege bilisten ville det bety lading éin gong kvar par dagar i staden for dagleg, og langt mindre uro ved lengre turar.
Slike batteri ville òg eigna seg til energilagring for solcellepanel og vindmøller. Her tel kvar ekstra kilowattime pakka inn i eit batteriskap, og kor mange syklusar systemet held utan utskifting. Meir haldbare og stabile akkumulatorar kan senka kostnadene ved lagring av straum frå fornybare kjelder – noko som er ein av dei største utfordringane i det grøne energiskiftet.
For den vanlege brukaren betyr dette perspektivskiftet framfor alt éin ting: ein reell sjanse for at batteri i telefonar, berbare datamaskiner og bilar om få år ikkje lenger vert knytte til rask nedsliting og frykt for sjølvtenning. I staden kan dei verta eit påliteleg og langvarig element i kvardagens infrastruktur. Har du sjølv opplevd eit raskt kapasitetstap i smarttelefonen eller elsykkelen din?
