MIT-ingenieurs lossen vaste-stofmysterie op

Takachtige metalen filamenten kunnen de kracht van lithiumbatterijen in vaste toestand ondermijnen. MIT legt uit hoe ze zich vormen en hoe ze kunnen worden omgeleid.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Joule.

MIT-onderzoekers hebben een probleem opgelost met vaste-stof lithiumbatterijen. Hierbij ontstaat kortsluiting door metalen filamenten, dendrieten genaamd, die de opening tussen metalen elektroden overbruggen. Ze ontdekten dat het uitoefenen van een compressiekracht op een vast elektrolytmateriaal ervoor zorgt dat de dendriet stopt te bewegen van de ene elektrode naar de andere en in plaats daarvan zijwaarts afbuigt. Daar kan het geen kwaad.

In een vaste-stof batterij wordt de vloeibare elektrolyt vervangen door een veel dunnere, lichtere laag vast keramisch materiaal en een van de elektroden door vast lithiummetaal. Dit zou de totale grootte en het gewicht van de batterij aanzienlijk verminderen en het risico op een thermal runaway wegnemen. Maar die zoektocht stuit tot nu toe op één groot probleem: dendrieten.

Dendrieten, waarvan de naam komt van het Latijnse woord voor takken, zijn uitsteeksels van metaal die zich op het lithiumoppervlak kunnen ophopen en in de vaste elektrolyt kunnen doordringen, uiteindelijk van de ene elektrode naar de andere gaan en de batterijcel kortsluiten. Onderzoekers zijn het niet eens geworden over de oorzaak van deze metalen filamenten, en er is ook niet veel vooruitgang geboekt bij het voorkomen ervan en hoe lichtgewicht solid-state batterijen een praktische optie kunnen worden.

Pendelende ionen

Professor Yet-Ming Chiang zegt in het eerdere werk van de groep dat ze een “verrassende en onverwachte” bevinding deden, namelijk dat het harde, vaste elektrolytmateriaal dat wordt gebruikt voor een vaste-stofbatterij tijdens het laden en ontladen kan worden gepenetreerd door lithium, wat een heel zacht metaal is, terwijl lithiumionen tussen de twee kanten bewegen.

Dit heen en weer pendelen van ionen zorgt ervoor dat het volume van de elektroden verandert. Dat veroorzaakt onvermijdelijk spanningen in de vaste elektrolyt, die volledig in contact moet blijven met beide elektroden waartussen het is ingeklemd. “Om dit metaal te deponeren, moet het volume worden vergroot omdat je nieuwe massa toevoegt”, zegt Chiang. “Er is dus een toename van het volume aan de kant van de cel waar het lithium wordt gedeponeerd. En als er zelfs maar microscopisch kleine gebreken aanwezig zijn, zal dit druk uitoefenen op die gebreken die scheuren kunnen veroorzaken.”

Die spanningen, zo heeft het team nu laten zien, veroorzaken de scheuren waardoor dendrieten zich kunnen vormen. De oplossing voor het probleem blijkt meer stress te zijn, precies in de juiste richting en met de juiste hoeveelheid kracht toegepast.

Terwijl eerder sommige onderzoekers dachten dat dendrieten werden gevormd door een puur elektrochemisch proces in plaats van een mechanisch proces, tonen de experimenten van het team aan dat het mechanische spanningen zijn die het probleem veroorzaken.

Transparante elektrolyt

Het proces van dendrietvorming vindt normaal gesproken diep in de ondoorzichtige materialen van de batterijcel plaats en kan niet direct worden waargenomen. Daarom ontwikkelde student Cole Fincher een manier om dunne cellen te maken met behulp van een transparante elektrolyt, waardoor het hele proces direct kan worden gezien en vastgelegd. “Je kunt zien wat er gebeurt als je het systeem samendrukt, en je kunt zien of de dendrieten zich gedragen op een manier die overeenkomt met een corrosieproces of een breukproces”, zegt hij.

Het team toonde aan dat ze de groei van dendrieten rechtstreeks konden manipuleren door simpelweg druk uit te oefenen en los te laten, waardoor de dendrieten zigzaggen in lijn met de richting van de kracht.

Het uitoefenen van mechanische spanningen op de vaste elektrolyt elimineert de vorming van dendrieten niet, maar bepaalt wel de richting van hun groei. Dit betekent dat ze kunnen worden gericht om evenwijdig aan de twee elektroden te blijven en te voorkomen dat ze ooit naar de andere kant gaan, en dus onschadelijk worden gemaakt.