Nove litij-metalne baterije s krutim elektrolitima su lagane, zapaljive, sadrže puno energije i mogu se vrlo brzo ponovno napuniti, ali se sporo razvijaju zbog misterioznog kratkog spoja i kvara. No, istraživači Sveučilišta Stanford i tamošnji SLAC laboratorij američkog ministarstva energetike vjeruju da su riješili ovu enigmu. Sve se, kažu, svodi na mehanički stres, posebno tijekom snažnog punjenja.

Nanoskopske pukotine

"Svako, pa i najmanje udubljenje ili savijanje baterija može otvoriti nanoskopske pukotine u materijalu zbog čega litij prodire u čvrsti elektrolit,  uzrokujući kratki spoj", objašnjavaju istraživači u časopisu Nature Energy. "Kvar mogu izazvati i nakupine prašine ili druge nečistoće."

Problem kvara čvrstih elektrolita nije nov i mnogi su proučavali taj fenomen. Postoji mnoštvo teorija o tome što ih uzrokuje. Jedni kažu da je za to kriv nenamjeran protok elektrona, drugi ukazuju na kemiju, a postoje i teorije o utjecaju različitih sila. Stanfordovi inženjeri su nizom eksperimenata na keramičkim elektrolitima pokazali kako defekti na nanoskali i mehanički stres uzrokuju kvar čvrstih elektrolita. 

Razlika je u tlaku

Istraživači su primijenili električnu sondu na čvrsti elektrolit, stvarajući minijaturnu bateriju. Uz pomoć mikroskopa i ionskih zraka otkrili su zašto se litij na površini keramike na nekim mjestima skuplja, a na drugima prodire dublje i dublje, sve dok litij ne premosti čvrsti elektrolit i izazove kratki spoj.

Pokazalo se da je razlika je u tlaku. Kad električna sonda samo dotakne površinu elektrolita, litij se skuplja na vrhu elektrolita čak i kad se baterija napuni za manje od minute. Međutim, kad sonda pritisne keramički elektrolit, oponašajući mehanička naprezanja, udubljenja i savijanja, velika je šansa da će doći do kratkog spoja.

Potraga za premazom

"Kad mu se pruži prilika da se ukopa u elektrolit, litij će se na kraju provući kroz njega, povezujući katodu i anodu. A kad se to dogodi, baterija otkazuje", objašnjavaju istraživači. Proces, kaže, nalikuje pojavi rupa u inače savršenom kolniku. Na kiši i snijegu automobilske gume guraju vodu u sićušne, postojeće nesavršenosti na kolniku, stvarajući sve šire pukotine. 

Sad kad su saznali kako se i zašto događa s litij-metalnim baterijama, Istraživači te iste mehaničke sile žele iskoristiti kako bi očvrsnuli materijal još u fazi proizvodnji, a ispituju i premaze koji bi sprečavali nastanak i širenje pukotina na površini elektrolita.