La formación de dendritas de litio sigue siendo un misterio, pero los ingenieros de materiales estudian las condiciones que permiten las dendritas y cómo detenerlas.

Históricamente, como hace décadas, Las baterías recargables de metal de litio eran peligrosas. Estas baterías se abandonaron rápidamente en favor de las baterías de iones de litio que no contienen litio metálico y ahora se utilizan ampliamente. En un esfuerzo por seguir aumentando la densidad de energía y reduciendo los costos, nuevamente estamos explorando cómo usar de manera eficiente y segura el metal de litio en las baterías. Baterías de estado sólido, libre de líquidos inflamables, puede ser la solución. Sin embargo, el progreso se ha ralentizado porque el metal de litio todavía encuentra una manera de cortocircuitar la batería y limitar la vida útil del ciclo.

Las baterías de litio de estado sólido son el Santo Grial del almacenamiento de energía. Con impactos potenciales en todo, desde dispositivos móviles personales hasta energía renovable industrial, vale la pena superar las dificultades. El objetivo:construir una batería de litio segura y de larga duración. El desafío:utilizar un electrolito de estado sólido y detener los cortocircuitos por la formación y el crecimiento de dendritas de litio.

En un nuevo artículo especial invitado publicado en el Revista de investigación de materiales , ingenieros de materiales de la Universidad Tecnológica de Michigan opinan sobre el problema. Su opinión es inusual. Se enfocan en la mecánica única del litio en dimensiones que son una fracción del diámetro del cabello en su cabeza, escalas mucho más pequeñas de lo que la mayoría de los demás consideran.

"La gente piensa que el litio es blando como la mantequilla, Entonces, ¿cómo puede tener la fuerza para penetrar a través de un separador de electrolitos sólidos de cerámica? ", preguntó Erik Herbert. profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en Michigan Tech y uno de los líderes del estudio. Dice que la respuesta no es intuitiva:lo más pequeño es más fuerte. Pequeños defectos físicos como microgrietas, los poros o la rugosidad de la superficie existen inevitablemente en la interfaz entre un ánodo de litio y un separador de electrolitos sólidos. Acercándonos a la mecánica del metal de litio a escalas de longitud acordes con esos pequeños defectos de interfaz, resulta que el litio es mucho más fuerte que en escalas macroscópicas o de longitud total.

"Al litio no le gusta el estrés más de lo que a ti oa mí me gusta el estrés, así que solo trata de averiguar cómo hacer que la presión desaparezca, ", Dijo Herbert." Lo que estamos diciendo es que en escalas de longitud pequeña, donde no es probable que el litio tenga acceso al mecanismo normal que utilizaría para aliviar la presión, tiene que depender de otros, métodos menos eficientes para aliviar el estrés ".

En cada metal cristalino como el litio, Se necesitan defectos a nivel atómico llamados dislocaciones para aliviar cantidades significativas de estrés. A escalas macroscópicas o de longitud a granel, las dislocaciones eliminan el estrés de manera eficiente porque permiten que los planos adyacentes de átomos se deslicen fácilmente entre sí como una baraja de cartas. Sin embargo, a escalas de longitud pequeña y altas temperaturas en relación con el punto de fusión del metal, la posibilidad de encontrar dislocaciones dentro del volumen estresado es muy baja. Bajo estas condiciones, el metal tiene que encontrar otra forma de aliviar la presión. Para litio, eso significa cambiar a la difusión. El estrés empuja a los átomos de litio lejos del volumen estresado, similar a ser arrastrado por la pasarela de un aeropuerto atómico. En comparación con el movimiento de dislocación, la difusión es muy ineficaz. Eso significa a escalas de pequeña longitud, donde la difusión controla el alivio del estrés en lugar del movimiento de dislocación, el litio puede soportar más de 100 veces más estrés o presión que en escalas de longitud macroscópicas.

Pueden ocurrir problemas catastróficos en lo que Herbert y su codirector, El profesor de MTU Stephen Hackney, Llame a la zona de peligro de defectos. La zona es una ventana de dimensiones de defectos físicos definida por la competencia de alivio de tensión entre la difusión y el movimiento de dislocación. El peor de los casos es un defecto de interfaz física (una micro fisura, poro o rugosidad de la superficie) que es demasiado grande para un alivio eficaz de la tensión por difusión, pero demasiado pequeño para permitir el alivio de la tensión mediante el movimiento de dislocación. En este problema inverso de Ricitos de Oro, Las altas tensiones dentro del litio pueden hacer que el electrolito sólido y toda la batería fallen catastróficamente. Curiosamente, el tamaño de la zona de peligro es del mismo tamaño que las dendritas de litio observadas.

"Los electrolitos de estado sólido muy delgados y las altas densidades de corriente requeridas para proporcionar la energía de la batería y los tiempos de carga cortos que esperan los consumidores son condiciones que favorecen la falla de la dendrita de litio, por lo que el problema de la dendrita debe resolverse para que la tecnología progrese, ", Dijo Hackney." Pero para hacer viable la tecnología de estado sólido, se deben abordar las limitaciones de la capacidad de potencia y del ciclo de vida. Por supuesto, el primer paso para resolver el problema es comprender la causa raíz, que es lo que estamos tratando de hacer con este trabajo actual ".

Hackney señala que el concepto más pequeño es más fuerte no es nuevo. Los ingenieros de materiales han estudiado el efecto de la escala de longitud en el comportamiento mecánico desde la década de 1950, aunque no se ha utilizado ampliamente al considerar el problema de la dendrita de litio y el electrolito sólido.

"Creemos que este paradigma de 'más pequeño es más fuerte' es directamente aplicable al tamaño de la dendrita de litio observado, y es confirmado por nuestros experimentos en muy limpio, películas gruesas de Li a velocidades de deformación relevantes para el inicio de la inestabilidad de la dendrita durante la carga, "Dijo Hackney.

Para examinar rigurosamente su hipótesis, Herbert y Hackney realizan experimentos de nanoindentación en películas de litio de alta pureza producidas por un importante investigador de baterías, Nancy Dudney del Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

"Las propiedades a granel del litio metálico están bien caracterizadas, pero esto puede no ser relevante en la escala de defectos y distribuciones de corriente no homogéneas que probablemente actúan en baterías de estado sólido muy delgadas, "Dudney dijo." El modelo presentado en este documento es el primero en mapear las condiciones en las que el litio, mucho más fuerte, afectará el rendimiento del ciclo de vida. Esto guiará la investigación futura de electrolitos sólidos y diseños de baterías ".

Entre los próximos pasos del equipo, planean examinar los efectos de la temperatura y los ciclos electroquímicos sobre el comportamiento mecánico del litio a escalas de longitud pequeña. Esto les ayudará a comprender mejor las condiciones y estrategias del mundo real para hacer que las baterías de próxima generación sean inmunes a la formación y el crecimiento de las dendritas de litio.