Forskere afslører batteriets skjulte fjende

Batterier er allerede gode. Men de er stadig ikke gode nok. Vi vil have længere rækkevidde, hurtigere opladning og bedre holdbarhed. Problemet er bare, at noget helt nede på mikroniveau står i vejen. Nu har forskere fået et sjældent indblik i en af de største syndere: små, nålelignende lithium-strukturer, der vokser inde i batteriet og langsomt kan ødelægge det. De kaldes dendritter, og de er alt andet end harmløse.

Forskerne har for første gang kunnet se mere præcist, hvordan de dannes, hvordan de opfører sig, og hvorfor de er så farlige for batteriernes levetid og sikkerhed. Det giver ny viden om, hvorfor batterier mister kapacitet – og hvorfor nogle i værste fald kan fejle indefra.

Dendritterne opstår på batteriets anode, altså den negative elektrode. Under opladning kan de vokse som små grene eller torne af lithium. Hvis de bliver lange nok, kan de gennembore batteriets indre skillelag og nå over til katoden. Sker det, kan det skabe en intern kortslutning. Det er præcis den slags fejl, der kan føre til alvorlige batteriproblemer.

Indtil nu har forskere haft svært ved at forstå den mekaniske adfærd hos de her strukturer, fordi de er ekstremt små og dannes inde i lukkede battericeller. I det nye arbejde lykkedes det forskere fra USA og Singapore at kombinere eksperimenter og simuleringer, så de kunne følge dendritternes udvikling langt tættere end før.

For at gøre det byggede de specialudstyr, der kunne isolere og undersøge dendritter direkte fra batterier i drift. Det var nødvendigt, fordi lithium reagerer voldsomt med luft og derfor skal håndteres i lukkede miljøer. Boyu Zhang, medforfatter til studiet, siger:

“For at muliggøre en kvantitativ undersøgelse af lithium-dendritter udviklede vi skræddersyede platforme til prøveforberedelse og mekanisk karakterisering til så følsomt arbejde.”

Med højopløselig elektronmikroskopi kunne forskerne derefter se, hvordan de enkelte dendritter reagerer under belastning. Og her kom overraskelsen.

I mange år har man antaget, at lithium-dendritter var bløde og bøjelige, fordi lithium-metal i sig selv er relativt formbart. Men målingerne peger i en anden retning. Dendritterne opfører sig ikke som blød masse. De er langt mere sprøde.

Xing Liu, der er assisterende professor ved New Jersey Institute of Technology, forklarer det sådan:

“Lithium-dendritter er længe blevet antaget at være bløde og duktile, som modellervoks. Men vores observationer tyder på, at de i stedet kan være stærke og sprøde – og knække mere som tør spaghetti.”

Det er en vigtig forskel. For når dendritterne bliver stive og nålelignende, øges risikoen for, at de kan punktere batteriets indre lag. Forskerne fandt også, at dendritterne under vækst bliver dækket af et tyndt lag, som gør dem endnu mere hårde. Det gør dem bedre til at trænge gennem separatoren – og dermed mere farlige.

Samtidig opstår endnu et problem, når de knækker. De afbrækkede stykker kan blive elektrisk isolerede og ende som det, forskerne kalder “dead lithium”. Det betyder lithium, der ikke længere bidrager til batteriets arbejde. Resultatet er lavere kapacitet og dårligere batteriydelse over tid.

Kort sagt: Batteriet mister kræfter, uden at materialet reelt er væk.

Ifølge forskerne findes der i praksis heller ingen enkel metode til at “rydde op” i dendritter inde i et batteri, når de først er dannet. Derfor er den vigtigste kamp at forhindre dem i at opstå – eller i det mindste gøre dem mindre skadelige.

Netop derfor kan den nye viden få betydning langt ud over laboratoriet.

Lithium-dendritter er nemlig en af de helt store forhindringer for næste generation af batterier, især lithium-metal-batterier, som længe har været udråbt som en mulig afløser for dagens lithium-ion-teknologi. De lover højere energitæthed og dermed potentielt længere rækkevidde og bedre ydelse. Men hvis dendritproblemet ikke bliver løst, er teknologien svær at gøre robust nok til bred brug.

Forskerne peger på, at resultaterne kan bruges til at udvikle bedre anodematerialer eller lithium-legeringer, der i højere grad modstår sprød brud og ukontrolleret vækst.

Det lyder teknisk, men konsekvensen er ret enkel for forbrugerne: Mere stabile batterier, længere levetid og lavere risiko for fejl. Studiet er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Science.

Forskere afslører batteriets skjulte fjende