Inginerii din cadrul Universității Harvard au dezvoltat baterii litiu-ion în stare solidă care se încarcă rapid și prezintă o degradare redusă. Utilizată în cadrul unui vehicul electric (EV), o astfel de baterie ar trebui să se încarce în decurs de 10 până la 20 de minute și să reziste pe toată durata de funcționare a vehiculului.
În prezent, prototipul are dimensiunea unei monede. În cadrul unui EV, aceasta ar trebui să aibă dimensiunea unei cărți groase.
„Scalarea acestora până la nivelul bateriilor din cadrul unui EV nu este o problemă banală. Există multe aspecte inginerești pe care va trebui să le luăm în calcul”, a declarat Xin Li în cadrul revistei IEEE Spectrum, profesor în știința materialelor. Li și colegii săi din cadrul Școlii de Inginerie și Științe Aplicate John A. Paulson din Harvard au publicat lucrarea în cadrul revistei Nature.
„Chiar și așa, a existat deja un interes mare pentru comercializarea acestei tehnologii”, a declarat Li. El nu a dezvăluit companiile interesate, dar a indicat faptul că acestea își desfășoară activitatea în sectorul auto.
La fel ca orice design de baterie în stare solidă, celulele folosesc un electrolit ceramic în locul lichidelor organice utilizate în cadrul bateriilor Li-ion din prezent. Această modificare reduce considerabil riscul de apariție al unui incendiu.
Inovația acestei baterii este reprezentată de existența unei stratificări de tip sandwich a diferitelor materiale, care are rolul să împiedice formarea filamentelor litiu-metal. Astfel de dendrite tind să crească în lungime după fiecare ciclu de încărcare și descărcare și, dacă una dintre acestea ajunge în cele din urmă de la anod la catod, există riscul de producere al unui scurtcircuit. Căldura generată poate aprinde celula, care apoi poate produce aprinderea unei celule vecine, declanșându-se o serie de evenimente, fenomen cunoscut sub numele de thermal runaway.
Prin alternarea straturilor de electroliți solizi din ce în ce mai puțin stabili, cercetătorii din cadrul Harvard se pot asigura că orice dendrită, aflată într-un stadiu incipient, rămâne la stadiul de mugur. Atunci când mugurul unei potențiale dendrite pătrunde într-unul dintre straturile mai puțin stabile, este provocată o descompunere localizată, care întrerupe creșterea ulterioară a acesteia. Li compară designul cu un diblu fixat într-un perete.
„Am proiectat chimia stratului astfel încât dendrita să aibă rolul unui șurub introdus manșonul de plastic. Atunci când aceasta se întâlnește cu electrolitul, se va produce o reacție chimică care va genera un câmp de tensiune local și care va bloca dendrita precum un diblu fixat într-un perete”, a explicat Li.
Datorită acestei manevre de blocare, dendritele nu devin niciodată suficient de mari pentru a provoca un scurtcircuit, pentru a produce conglomerarea mai multor particule de litiu sau pentru a perturba electrolitul ceramic. Astfel, bateria își păstrează integritatea chiar și după o utilizare prelungită.
Inginerii au reușit să folosească această tehnologie pentru a elimina grafitul din baterii, care, în prezent, este materialul standard utilizat pentru fabricarea anozilor, datorită proprietăților sale anti-dendritice. În schimb, cercetătorii au utilizat litiu metalic pentru fabricarea anozilor. În revista Nature, aceștia îl descriu ca fiind Sfântul Graal al bateriilor, datorită densității de curent ridicate, care reprezintă cantitatea maximă de curent dintr-o anumită zonă, pe care o baterie o poate suporta în timpul ciclurilor de încărcare/descărcare fără a forma dendrite.
„Bateria poate rezista la 10.000 de cicluri la o densitate de curent de aproape 10 miliamperi pe centimetru pătrat”, a declarat Li. Într-adevăr, în urma studiilor privind degradarea bateriei litiu-ion s-a descoperit faptul că riscul de eșec apare la densități cuprinse între 1 și 3 miliamperi pe centimetru pătrat.
