Opdagelsen der vender alt på hovedet, hvad vi vidste om batterier
Et amerikansk forskerhold har for første gang analyseret de mekaniske egenskaber ved de mikroskopiske strukturer, der dannes inde i lithiumakkumulatorer. Resultaterne vælter fuldstændig de hidtidige teorier om batteridesign.
I et almindeligt lithium-ion-batteri — det samme der driver din smartphone eller elbil — er to elektroder adskilt af et tyndt isolerende lag kaldet en separator. Under opladning begynder der at vokse mikroskopiske krystallinske nåle på overfladen af lithiumanoden, som forskerne kalder dendritter. Deres tykkelse er op til hundrede gange mindre end diameteren på et menneskehår.
Hvad er dendritter, og hvorfor ødelægger de batterier
Disse strukturer vokser ved hvert opladningscyklus. Når de bliver lange nok til at trænge gennem separatoren, skabes der en intern kortslutning for elektronerne. I stedet for at løbe rundt i det ydre kredsløb strømmer ladningen direkte fra den ene elektrode til den anden — og det medfører overophedning, kapacitetstab og i de værste tilfælde brand eller eksplosion.
Det anslås, at denne form for progressiv nedbrydning hvert år rammer millioner af akkumulatorer. Producenterne skjuler ofte problemet med reservekapacitet og aggressive sikkerhedssystemer, men fysikkens love kan ikke omgås i det uendelige.
Alle tog fejl: dendritter er slet ikke bløde
I de seneste år gik man ud fra, at dendritter var lige så plastiske som rent fast lithium. Logikken virkede uangribelig: hvis de opstår fra det materiale, bør de dele dets egenskaber. På dette grundlag var der bygget hele beskyttelsesstrategier for batterier — fra nye elektrolytter til forstærkede separatorer.
Et forskerhold fra New Jersey Institute of Technology og Rice University besluttede at sætte denne bekvemme antagelse på prøve i laboratoriet. Ved hjælp af et avanceret elektronmikroskop, der arbejder i vakuum for at eliminere påvirkning fra ilt og fugt, bøjede forskerne bogstaveligt talt de enkelte dendritter og målte deres reaktion på mekanisk belastning.
Det, de observerede, stemte ikke overens med nogen lærebog. I stedet for gradvist at deformere sig knækkede lithiumnålene rent over uden nogen forudgående bøjning. Dendritter opfører sig som stive og skøre mikronåle — ikke som et blødt og duktilt metal.
Den målte trækstyrke nåede op på omkring 150 megapascal, mens rent fast lithium kun har 0,6 megapascal. Vi taler altså om strukturer, der er over to hundrede gange hårdere end det materiale, de stammer fra. Årsagen? Et ultratyndt oxidlag, der dannes på nålenes overflade bogstaveligt talt på et splitsekund.
Hvorfor lithiumbatterier mister kapacitet og kan gå i brand
De amerikanske forskere identificerede flere centrale problemer knyttet til dendritter:
- Lithiummikronålene trænger gennem separatoren og skaber interne kortslutninger
- Ved hver opladning vokser dendritterne og bliver stadig længere
- Oxidlaget på overfladen forvandler materialet fra blødt til sprødt
- De afbrækkede fragmenter danner det såkaldte dødt lithium inde i batteriet
- Dødt lithium deltager ikke længere i den kemiske reaktion, men forbliver svævende i elektrolytten
- For hvert cyklus mindskes mængden af aktivt lithium og dermed den samlede kapacitet
- Elbiler mister gradvist rækkevidde, og smartphones holder kortere tid på en enkelt opladning
Hvert opladningscyklus genererer nye fragmenter. Med tiden reduceres det tilgængelige aktive lithium, og batterikapaciteten falder med adskillige procentpoint. Brugeren oplever det som en stadig kortere batterilevetid på telefonen eller reduceret rækkevidde i elbilen. Cellen er ikke fysisk slidt op, men en stor del af materialet er elektrokemisk blevet ubrugeligt.
Det nanometertynde oxidlag måler blot få nanometer i tykkelsen, men det forandrer fuldstændig materialets adfærd: fra blødt metal opstår en hård og skør struktur, der minder om keramik. Disse resultater er publiceret af forskere fra universiteterne i New Jersey og Houston, Texas.
Tredoblet rækkevidde for køretøjer blokeres af dendritfysikken
Hele denne historie får endnu større vægt, når man tager teknologien bag lithium-metal-batterier i betragtning. I denne løsning erstattes grafitanoden med rent lithium. I praksis ville det betyde en energitæthed op til tre gange højere. En elbil kunne tilbagelægge ikke tre hundrede, men otte- eller nihundrede kilometer på en enkelt opladning — uden at batteriet fylder mere.
Det lyder som den hellige gral inden for elektrisk mobilitet. Det er ikke overraskende, at store industrikoncerner investerer milliarder i denne forskning. Problemet er netop, at dendritter er mest farlige i disse batterier: de vokser hurtigere og i langt større antal end i klassiske lithium-ion-akkumulatorer.
Forskerne fra NJIT målte en mekanisk styrke, der overraskede selv dem selv. De stive mikrostrukturer kan med lethed perforere separatoren og visse polymere eller keramiske materialer. Det forklarer, hvorfor de nuværende løsninger baseret på faste elektrolytter endnu ikke er tilstrækkelige.
Hvis en lithiumnål er hårdere end de fleste polymerer eller visse keramikmaterialer, kan den gradvist trænge ind selv i faste materialer — lidt som en meget spids stålnål, der gennemtrænger tilsyneladende kompakt gummi. New Jersey Institute of Technology-holdet arbejder i øjeblikket på tre mulige udviklingsretninger.
Nyt batterisyn: materialer skal modstå ekstremt hårde nåle
De nuværende koncepter for ultra-sikre akkumulatorer er ofte baseret på såkaldte faste elektrolytter. I teorien burde et sådant materiale være mere modstandsdygtigt end en væske og blokere dendritvæksten som en rustning. De seneste resultater antyder imidlertid, at dette ikke er nok.
Forskerne peger på tre mulige retninger for det fremtidige arbejde. Den første er udviklingen af nye lithiumlegeringer: tilsætning af andre grundstoffer for at begrænse dannelsen af det stive oxidlag og ændre den måde, nålene vokser på. Den anden fokuserer på separatorer med elastisk struktur, der ikke blot er mere modstandsdygtige, men også delvist kan absorbere mekaniske belastninger.
Den tredje vej handler om elektrolytadditiver: kemiske forbindelser, der styrer den krystallinske struktur af nyligt dannede dendritter, så de vokser langsommere eller i en mindre farlig retning. Løsninger af denne type kunne gøre fremtidens batterier med høj energitæthed ikke blot mere kraftfulde, men også betydeligt mere holdbare og mindre tilbøjelige til pludselige fejl.
Elbilfabrikanter venter præcis på denne type gennembrud, fordi hele transportomstillingens rentabilitet afhænger af cellernes sikkerhed og levetid. Forskerne fra Rice University understreger, at et enkelt velgennemført eksperiment kan ændre kursen for en hel industrisektor.
Hvad betyder alt dette for elbiler og energilagring
Hvis det lykkedes at tæmme dendritterne fuldstændigt, kunne lithium-metal-batterier blive standarden i køretøjer med en rækkevidde, der er sammenlignelig med — eller overgår — den for biler med forbrændingsmotor. For den gennemsnitlige bilist ville det betyde opladning én gang hvert par dage, ikke dagligt, med langt mindre stress ved længere ture.
Disse celler ville også være værdifulde til energilagringsanlæg beregnet til solcelleanlæg eller vindmølleparker. I den sammenhæng gør hver ekstra kilowatttime komprimeret i et enkelt batteriSkab og hvert ekstra cyklus før udskiftning en forskel. Mere holdbare og stabile akkumulatorer kunne sænke omkostningerne ved lagring af vedvarende energi — en af de største udfordringer i energiomstillingen.
For slutbrugeren betyder dette perspektivskifte frem for alt én ting: den konkrete mulighed for, at batterier i telefoner, bærbare computere og biler om nogle år ophører med at være forbundet med hurtig nedbrydning og risiko for selvantændelse. I stedet kunne de blive et forudsigeligt og langvarigt element i den daglige infrastruktur.
