Et amerikansk forskerhold har afsløret noget overraskende om lithiumbatterier
For første gang nogensinde har et amerikansk forskerhold undersøgt de mekaniske egenskaber ved de mikroskopiske strukturer, der dannes inde i lithiumakkumulatorer. Resultaterne ændrer grundlæggende vores forståelse af, hvordan batterier bør designes.
Et standard lithium-ion-batteri i en telefon eller elbil består af to elektroder adskilt af et tyndt isolerende lag – en separator. Under opladning begynder der at vokse mikroskopiske nåle på overfladen af lithiumanoden. Forskere kalder disse strukturer for dendritter. De er op til hundrede gange tyndere end en menneskehårs diameter.
Hvad sker der, når dendritter vokser ukontrolleret?
Disse nåleformede strukturer vokser ved hver eneste opladningscyklus. Når de til sidst er lange nok til at trænge igennem separatoren, dannes der en intern kortslutning for elektroner. I stedet for at strømme gennem det ydre kredsløb bevæger ladningen sig direkte fra den ene elektrode til den anden.
Konsekvensen er en intern kortslutning, hurtig opvarmning, faldende kapacitet og i yderste tilfælde brand eller eksplosion. Det anslås, at denne form for gradvis skade rammer millioner af batterier hvert år. Producenter forsøger typisk at skjule problemet ved hjælp af reservekapacitet og aggressive sikkerhedssystemer – men fysikkens love lader sig ikke narre i det uendelige.
Alle tog fejl – dendritter er slet ikke bløde
I de seneste år har man antaget, at dendritter er lige så plastiske som fast lithium i ren form. Det virkede logisk: siden de dannes af dette materiale, burde de have tilsvarende egenskaber. Hele batteristrategier blev bygget op om denne antagelse – fra nye elektrolytter til forstærkede separatorer.
Et forskerhold fra New Jersey Institute of Technology og Rice University besluttede sig for at teste denne tilsyneladende indlysende hypotese eksperimentelt. De anvendte et avanceret elektronmikroskop i vakuum for at eliminere påvirkning fra ilt og fugt. Dernæst bøjede forskerne enkeltvis de individuelle dendritter og målte deres reaktion under belastning.
Det, de så, passede ikke ind i nogen lærebog. I stedet for en jævn deformation knækkede lithiumnålene pludseligt – uden forudgående bøjning. Dendritterne opfører sig som skøre, stive mikronåle, ikke som blød og bøjelig metal.
Den målte styrke var chokerende høj
Den målte trækstyrke nåede op på cirka 150 megapascal, mens fast lithium blot har 0,6 megapascal. Vi taler altså om strukturer, der er mere end to hundrede gange hårdere end det materiale, de opstår fra. Forklaringen ligger i et ultratyndt oxidlag, der dannes på overfladen af nålene på blot et splitsekund.
Dette nanometerlag er kun få nanometer tykt, men det ændrer fuldstændigt materialets adfærd – fra blød metal til en hård, skør struktur, der minder om keramik. Disse resultater er publiceret af forskere fra universiteter i New Jersey og i Houston, Texas.
Derfor mister lithiumbatterier kapacitet – og kan begynde at brænde
Forskerne identificerede flere centrale problemer knyttet til dendritter:
- Mikroskopiske lithiumnåle trænger igennem separatoren og skaber interne kortslutninger
- Ved hver opladning vokser dendritterne sig længere
- Oxidlaget på overfladen ændrer materialets egenskaber fra blødt til skørt
- Afbrækkede fragmenter danner det, der kaldes dødt lithium inde i batteriet
- Dødt lithium bidrager ikke længere til den kemiske reaktion, men forbliver i elektrolytten
- For hver cyklus falder mængden af aktivt lithium – og dermed den samlede kapacitet
- Elbiler mister gradvist rækkevidde, smartphones mister batterilevetid
Hver opladningscyklus producerer yderligere fragmenter. Over tid falder kapaciteten med titalls procent. Brugeren oplever det som stadig kortere driftstid på telefonen eller reduceret rækkevidde i elbilen. Batteriet er ikke fysisk nedslidt – men en stor del af materialet er blevet elektrokemisk ubrugeligt.
Tre gange så langt rækkevidde blokeres af dendritfysik
Hele denne problematik bliver endnu mere betydningsfuld, når vi ser på teknologien bag lithium-metal-batterier. I denne løsning erstattes grafitanoden med rent lithium. I praksis ville det betyde en op til tre gange højere energitæthed. En elbil ville kunne køre ikke tre hundrede, men otte til ni hundrede kilometer på én opladning – uden at batteriet behøver at blive større.
Det lyder som den hellige gral inden for elbilteknologi. Ikke underligt, at store koncerner investerer milliarder af dollars i forskning på dette område. Problemet er, at dendritter er allermest farlige netop i sådanne batterier – de vokser hurtigere og i langt større antal end i klassiske lithium-ion-akkumulatorer.
Forskere fra NJIT målte en mekanisk styrke, der overraskede selv de mest erfarne eksperter. De stive mikrostrukturer kan nemt gennemtrænge separatoren og visse polymere eller keramiske materialer. Det forklarer, hvorfor nuværende koncepter med faste elektrolytter ikke slår til.
Nyt syn på batterier – materialer skal modstå hårde nåle
Nuværende koncepter for supersikre akkumulatorer bygger ofte på såkaldte faste elektrolytter. Teoretisk set burde et sådant materiale være mere modstandsdygtigt end en væske og blokere dendritvækst som et panserskjold. De nyeste resultater tyder imidlertid på, at det ikke er nok.
Forskerne peger på tre mulige retninger for det videre arbejde. Den første er udvikling af nye lithiumlegeringer – tilsætning af andre grundstoffer for at begrænse dannelsen af det hårde oxidlag og ændre nålenes vækstmønster. Den anden retning handler om separatorer med en fleksibel struktur, der ikke blot er stærkere, men også kan absorbere mekanisk spænding.
Den tredje vej er tilsætningsstoffer i elektrolytten – kemiske forbindelser, der styrer krystalstrukturen i nyligt dannede dendritter, så de vokser langsommere eller i en mere sikker retning. Sådanne løsninger kan gøre fremtidens batterier med høj energitæthed ikke blot mere kapacitetsrige, men også markant mere holdbare og mindre tilbøjelige til pludselige fejl.
Hvad betyder det for elbiler og energilagring?
Hvis det lykkes at tæmme dendritterne fuldt ud, kan lithium-metal-akkumulatorer blive standarden i køretøjer med en rækkevidde, der er sammenlignelig med – eller endda overgår – klassiske forbrændingsmotorbiler. For den almindelige bilist ville det betyde opladning én gang hver par dage frem for dagligt, og langt mindre bekymring ved længere ture.
Sådanne batterier ville også egne sig til energilagring til solceller og vindmøller. Her tæller hver ekstra kilowattime pakket ind i ét batterikabinat, og antallet af cyklusser, systemet holder uden udskiftning. Mere holdbare og stabile akkumulatorer kan sænke omkostningerne ved lagring af el fra vedvarende energikilder – hvilket er en af de største udfordringer i den grønne energiomstilling.
For den almene bruger betyder dette skift i perspektiv frem for alt én ting: en reel chance for, at batterier i telefoner, laptops og biler om få år ikke længere forbindes med hurtig nedslidning og frygt for selvantændelse. I stedet kan de blive et pålideligt og langlivet element i hverdagens infrastruktur. Har du selv oplevet et hurtigt kapacitetsfald i din smartphone eller elcykel?
