p A formação de dendritos de lítio ainda é um mistério, mas os engenheiros de materiais estudam as condições que permitem os dendritos e como pará-los. p Historicamente, como nas décadas atrás, baterias recarregáveis ​​de metal de lítio eram perigosas. Essas baterias foram rapidamente abandonadas em favor das baterias de íon-lítio que não contêm lítio metálico e agora são amplamente utilizadas. Em esforços para continuar a aumentar a densidade de energia e reduzir os custos, estamos explorando novamente como usar o metal de lítio com eficiência e segurança em baterias. Baterias de estado sólido, livre de líquidos inflamáveis, pode ser a solução. Contudo, o progresso foi retardado porque o metal de lítio ainda encontra uma maneira de causar um curto-circuito na bateria e limitar o ciclo de vida.

p As baterias de lítio de estado sólido são o Santo Graal do armazenamento de energia. Com impactos potenciais em tudo, desde dispositivos móveis pessoais a energia renovável industrial, vale a pena superar as dificuldades. O objetivo:construir uma bateria de lítio segura e de longa duração. O desafio:usar um eletrólito de estado sólido e interromper o curto-circuito na formação e crescimento dos dendritos de lítio.

p Em um novo artigo convidado publicado no Journal of Materials Research , engenheiros de materiais da Michigan Technological University avaliam o problema. Sua opinião é incomum. Eles se concentram na mecânica única do lítio em dimensões que são uma fração do diâmetro do cabelo em sua cabeça - escamas muito menores do que a maioria das outras considera.

p "As pessoas pensam que o lítio é macio como manteiga, então, como pode ter força para penetrar através de um separador de eletrólito sólido de cerâmica? "perguntou Erik Herbert, professor assistente de ciência de materiais e engenharia na Michigan Tech e um dos líderes do estudo. Ele diz que a resposta não é intuitiva - quanto menor, mais forte. Pequenos defeitos físicos, como microfissuras, os poros ou rugosidade da superfície existem inevitavelmente na interface entre um ânodo de lítio e um separador de eletrólito sólido. Ampliando a mecânica do metal de lítio em escalas de comprimento proporcionais a esses minúsculos defeitos de interface, Acontece que o lítio é muito mais forte do que em escalas macroscópicas ou de comprimento de massa.

p "O lítio não gosta de estresse mais do que você ou eu gostamos de estresse, então é só tentar descobrir como fazer a pressão ir embora, "Herbert disse." O que estamos dizendo é que em pequenas escalas, onde o lítio provavelmente não teria acesso ao mecanismo normal, ele usaria para aliviar a pressão, tem que contar com outro, métodos menos eficientes para aliviar o estresse. "

p Em cada metal cristalino como o lítio, defeitos de nível atômico chamados de deslocamentos são necessários para aliviar quantidades significativas de estresse. Em escalas macroscópicas ou de comprimento em massa, os deslocamentos eliminam o estresse de maneira eficiente porque permitem que planos adjacentes de átomos deslizem facilmente uns sobre os outros como um baralho de cartas. Contudo, em pequenas escalas de comprimento e altas temperaturas em relação ao ponto de fusão do metal, a chance de encontrar luxações dentro do volume estressado é muito baixa. Sob estas condições, o metal tem que encontrar outra maneira de aliviar a pressão. Para o lítio, isso significa mudar para difusão. O estresse empurra os átomos de lítio para longe do volume estressado - semelhante a ser carregado por uma passarela atômica de aeroporto. Comparado ao movimento de deslocamento, a difusão é muito ineficiente. Isso significa que em escalas pequenas, onde a difusão controla o alívio do estresse em vez do movimento de deslocamento, O lítio pode suportar mais de 100 vezes mais estresse ou pressão do que em escalas macroscópicas de comprimento.

p Podem ocorrer problemas catastróficos no que Herbert e seu co-lideram, Professor da MTU Stephen Hackney, chame a zona de perigo do defeito. A zona é uma janela de dimensões de defeitos físicos definida pela competição de alívio de tensão entre o movimento de difusão e deslocamento. O pior cenário é um defeito de interface física (uma micro fenda, poro ou rugosidade da superfície) que é muito grande para um alívio eficiente de tensão por difusão, mas muito pequeno para permitir o alívio de tensão por movimento de deslocamento. Neste problema Cachinhos Dourados reverso, altas tensões no lítio podem fazer com que o eletrólito sólido e toda a bateria falhem catastroficamente. Interessantemente, o tamanho da zona de perigo é o mesmo tamanho dos dendritos de lítio observados.

p "Os eletrólitos de estado sólido muito finos e as altas densidades de corrente necessárias para fornecer a energia da bateria e os curtos tempos de carregamento esperados pelos consumidores são condições que favorecem a falha do dendrito de lítio, então o problema do dendrito deve ser resolvido para que a tecnologia progrida, "Hackney disse." Mas para tornar a tecnologia de estado sólido viável, a capacidade de energia e as limitações do ciclo de vida devem ser abordadas. Claro, a primeira etapa para resolver o problema é entender a causa raiz, que é o que estamos tentando fazer com este trabalho atual. "

p Hackney aponta que quanto menor é o conceito mais forte não é novo. Engenheiros de materiais têm estudado o efeito da escala de comprimento no comportamento mecânico desde 1950, embora não tenha sido amplamente utilizado na consideração do dendrito de lítio e do problema do eletrólito sólido.

p "Achamos que este paradigma 'menor é mais forte' é diretamente aplicável ao tamanho do dendrito de lítio observado, e é confirmado por nossos experimentos em muito limpo, filmes espessos de Li em taxas de deformação relevantes para o início da instabilidade do dendrito durante o carregamento, "Hackney disse.

p Para examinar rigorosamente sua hipótese, Herbert e Hackney realizam experimentos de nanoindentação em filmes de lítio de alta pureza produzidos por um importante pesquisador de baterias, Nancy Dudney, do Laboratório Nacional de Oak Ridge.

p "As propriedades de volume do metal de lítio são bem caracterizadas, mas isso pode não ser relevante na escala de defeitos e distribuições de corrente não homogêneas provavelmente atuando em baterias de estado sólido muito finas, "Dudney disse." O modelo apresentado neste documento é o primeiro a mapear as condições em que o lítio, muito mais forte, afetará o desempenho do ciclo de vida. Isso guiará a investigação futura de eletrólitos sólidos e designs de bateria. "

p Entre as próximas etapas da equipe, eles planejam examinar os efeitos da temperatura e do ciclo eletroquímico no comportamento mecânico do lítio em escalas de comprimento pequenas. Isso os ajudará a entender melhor as condições e estratégias do mundo real para tornar as baterias de próxima geração imunes à formação e ao crescimento de dendritos de lítio.