NMR ujawnia mechanizmy awarii baterii litowych
W przeciwieństwie do akumulatorów litowo-jonowych lub sodowo-jonowych, które są powszechnie wykorzystywane do magazynowania energii na dużą skalę, w pojazdach elektrycznych i przenośnych urządzeniach elektronicznych, baterie wyposażone w elektrodę z czystego metalu nie mają jeszcze właściwości ponownego ładowania. Podczas ładowania cienkie struktury metaliczne, zwane dendrytami, kiełkują z powierzchni elektrody i rozchodzą się w całym elektrolicie, docierając wreszcie do przeciwelektrody. Ich tworzenie się może zagrażać bezpieczeństwu baterii, powodując jej przegrzewanie się, a nawet samozapłon. W ramach projektu BATTINSITU (In-situ nuclear magnetic resonance investigation of the critical failure mechanism of lithium batteries: toward safer, highly reliable and energy dense storage), naukowcy z powodzeniem zastosowali metody in situ do oceny charakteru litu metalicznego wyrastającego na metalicznych anodach litowych. Zespół projektu, posługując się metodą spektroskopii NMR, skoncentrował się na działaniu, jakie różne elektrolity litowe i materiały rozdzielające mogą wywierać na morfologię dendrytu. Zaobserwowano, że w przeciwieństwie do powszechnie stosowanych elektrolitów węglanowych, elektrolity z cieczy jonowych powodują rzadkie rozmieszczenie dendrytów, głównie dlatego że transport jonów do elektrody odbywa się w znacznie wolniejszym tempie. Choć elektroda była w pełni obudowana, dendryty uformowały się wokół krawędzi dysków rozdzielających we wszystkich materiałach separacyjnych poddanych testom. Po raz pierwszy naukowcy zastosowali metodę NMR, by uzyskać rozdzielone w czasie informacje ilościowe na temat akumulatorów sodowych – atrakcyjnych kandydatów mogących potencjalnie zastąpić baterie litowe ze względu na obfitość sodu. Po raz kolejny zespół zaobserwował tworzenie się dendrytów sodowych; sodowe osady metaliczne o bardzo dużej powierzchni nieprzerwanie się akumulowały, nawet podczas ładowania prądem o niskim napięciu. Po odwróceniu kierunku przepływu prądu i naładowaniu prądem o wysokim napięciu, zespół zaobserwował, że osadów metalicznych nie da się skutecznie usuwać z elektrod w czasie. Jony sodowe wykazały także zaskakująco wysoką mobilność, która była znacznie wyższa niż mobilność jonów litowych w analogowych systemach litowych. Wykorzystując tę potężną, bezinwazyjną metodę in situ, jaką jest NMR, naukowcy uzyskali wyjątkowy wgląd we wnętrze baterii litowych i sodowych. Badania przeprowadzone w ramach projektu ukazują rozwój adekwatnych i szybkich rozwiązań, które pozwolą wspomóc przejście z energii nieodnawialnej na zrównoważoną i bezpieczniejszą energię odnawialną.
Słowa kluczowe
NMR, baterie litowe, energia odnawialna, sód, dendryty
