Forskare från New Jersey Institute of Technology och Rice University har upptäckt att problemet inte bara ligger i cellernas kemi. De mikroskopiska litiumnålarna beter sig helt annorlunda än alla hittills har antagit.

Litiumjonbatterier förknippas med underhållsfri bekvämlighet: vi laddar, använder och lägger undan dem. Men inne i batterierna pågår en konstant kamp för att överleva. Under laddning kan mikroskopiska utväxter bildas på ytan av litium- eller grafitanoden – så kallade dendriter.

De har formen av tunna nålar, ända upp till hundra gånger tunnare än ett människohår. Med varje laddningscykel växer de och rör sig mot separatorn, det tunna lager av material som skiljer den positiva och negativa elektroden åt.

När en dendrit bryter igenom separatorn uppstår en intern kortslutning. Elektronerna väljer då en genväg och kringgår den externa kretsen. Cellen värms upp, förlorar snabbt kapacitet, och i värsta fall kan det leda till brand eller explosion.

Varför mikroskopiska litiumnålar beter sig som sprött glas

Forskare har i åratal antagit att dessa dendriter är mjuka och plastiska, precis som metalliskt litium. Alla strategier för att skydda batterier utformades utifrån denna uppfattning.

Ett nytt experiment med elektronmikroskop i vakuum, i nanometerskala, har brutalt motbevisat detta antagande. Istället för gummiliknande nålar såg forskarna strukturer som beter sig som sprött glas eller torra spagetti: de böjer sig inte, de knäcks.

Nyckelrollen spelas av ett ultratunt lager oxider som bildas på dendritens yta nästan ögonblickligen efter dess uppkomst. Lagret är bara några nanometer tjockt, men förändrar hela strukturens beteende. Istället för mjuk, formbar metall uppstår en sprö men mycket styv mikronål.

Mätningar visade att dessa strukturers styrka vid kompression och böjning når upp till cirka 150 megapascal. Till jämförelse tål vanligt litium i fast metallform omkring 0,6 megapascal. En nanometrisk litiumnål kan vara upp till 250 gånger mer motståndskraftig mot mekanisk skada än ett block av samma metall.

Detta gör de spröda nålarna med batteriet inifrån

Sådana dendriter fungerar som små harpuner. De böjer sig inte under tryck från separatorn eller elektrolyten, utan borrar sig in i materialet och river det långsamt i stycken. Det förklarar varför även tjockare och teoretiskt mer motståndskraftiga separatorer ibland misslyckas.

Deras sprödhet har en annan, mindre uppenbar konsekvens. När nålen knäcks lämnas fragment av litium kvar som förlorar elektrisk kontakt med elektroden. Forskare kallar dem för dött litium. Sådant material befinner sig fortfarande fysiskt i cellen, men deltar inte längre i den elektrokemiska reaktionen.

Varje laddnings- och urladdningscykel ökar mängden av detta döda material. Från användarens perspektiv betyder det allt kortare driftstid på en laddning, trots att batteriet inte är särskilt gammalt. Ett fenomen uppstår som är välkänt från telefoner och laptops: enheten fungerar fortfarande, men måste kopplas in i eluttaget mycket oftare än när den var ny.

Dendriter är således ansvariga inte bara för enskilda fel och kortslutningar, utan också för den långsamma, irreversibla förlusten av batterikapacitet. Varje gång du laddar din smartphone eller elbil riskerar du att skapa fler av dessa mikroskopiska strukturer.

Varför fasta elektrolyter ensamma inte löser problemet

De senaste åren har fört med sig en trend mot batterier med fast elektrolyt. De skulle lösa de flesta säkerhetsproblemen: minimera risken för brand, öka kapaciteten och samtidigt förlänga cellernas livslängd.

De nya resultaten visar dock att enbart byte av elektrolyt inte räcker. Även om fasta material är styvare än klassiska flytande elektrolyter, kan de hårda dendriterna helt enkelt borra igenom dem. Deras nanometriska diameter och enorma mekaniska styrka innebär att även mycket motståndskraftigt material kan visa sig maktlöst.

För ingenjörer är det en signal om att ändra tankesätt. Det räcker inte att förstärka de enskilda lagren i cellen. Man måste ta itu med själva problemets rot, alltså hur och av vad de mikroskopiska litiumnålarna bildas.

Nuvarande litiumjonceller använder en grafitanod. Men allt större förhoppningar har knutits till så kallade litiummetallbatterier, där anoden består av praktiskt taget rent litium. En sådan förändring ökar radikalt mängden energi som kan packas in i samma volym.

Uppskattningar talade om en fördubbling av energitätheten. I praktiken skulle det betyda att en typisk elbil kunde köra 800-900 kilometer på en laddning istället för dagens 250-350 kilometer vid normal körning. Problemet är att det just i sådana konstruktioner bildas dendriter aggressivt. Och det är de som i åratal har blockerat litiummetallbatteriernas inträde i massproduktion.

Tre forskningsriktningar som kan förändra batterimarknaden

Teamet från NJIT och Rice University pekar på tre huvudstrategier för fortsatt arbete med material:

Nya litiumlegeringar – istället för rent litium kommer forskare att använda dess blandningar med andra grundämnen för att begränsa bildningen av det styva, syrerika lagret på nålarnas yta
Separatorer som absorberar spänningar – utveckling av membran som kan deformeras lokalt och sprida tryckenergi, istället för att låta dendriten borra sig in som en spik i en planka
Tillsatser till elektrolyten – speciella kemiska föreningar i vätskan eller det fasta ämnet som modifierar sättet litium kristalliserar på, så att strukturerna växer jämnare och mindre liknar vassa nålar
Ytbeläggningar på anoden – skyddande lager av keramik eller polymerer som ändrar sättet litium avsätts på under laddning
Artificiellt SEI-lager – kontrollerad bildning av ett stabilt gränsskikt mellan elektrod och elektrolyt innan batteriet tas i bruk
Pulsladdning – modifierade laddningsprotokoll som avbryter den kontinuerliga strömmen och ger litiumjoner tid att fördela sig jämnare

Om bara en del av dessa koncept fungerar i praktiken får aktörer från bilindustrin äntligen verktyg för att skapa batterier med hög energitäthet, men utan den dramatiska minskningen av hållbarhet efter några års användning.

För system baserade på förnybar energi, som vindkraftsparker eller solcellsanläggningar, skulle sådana celler bli ett nyckelelement i infrastrukturen. De kunde lagra mer energi på mindre plats och arbeta stabilt genom många tusentals laddningscykler.

Vad ett enda felaktigt antagande kan göra med en hel teknologi

Historien med dendriter visar tydligt hur farligt det kan vara att basera ett helt fält på ett intuitivt men obekräftat antagande. I årtionden visste alla att litiumnålar beter sig som mjuk metall – så de valde lösningar som gav mening vid en sådan vision.

Först direkt observation i nanometerskala avslöjade att naturen styrs av andra lagar här. En film från mikroskopet, några få serier av mätningar, och hela pusslet började se annorlunda ut. Det handlar inte bara om denna specifika typ av batteri. Det är en varningssignal för många områden av materialingenjörsvetenskap, där det faktiska beteendet hos strukturer i nanoskala kan avvika dramatiskt från det vi känner till från makrovärlden.

Från användarens perspektiv betyder det ytterligare en sak: snabba framsteg blockeras inte alltid av brist på resurser eller dåliga regleringar. Ibland räcker ett litet misstag i början av forskningsvägen för att i åratal skjuta upp ett genombrott som för länge sedan kunde ha nått serieprodukter.

I fallet med litiumbatterier kan överföringen av uppmärksamhet från själva kemin till mekaniken vid bildningen av dendriter bli det saknade elementet i pusslet. Ingenjörer får äntligen ett konkret mål: inte så mycket att motstå trycket från dessa strukturer, utan att förändra deras natur från första ögonblicket de börjar bildas.