במשך עשרות שנים ניסו מדענים לייצר סוללות ליתיום-מתכת אמינות. תאי אחסון בעלי ביצועים גבוהים אלה מחזיקים ב -50% יותר אנרגיה מבני דודיהם הפוריים של ליתיום-יון, אך שיעורי כשל גבוהים יותר ובעיות בטיחות כמו שריפות ופיצוצים הפכו את מאמצי המסחור לנכים. החוקרים שיערו מדוע המכשירים נכשלים, אך עדויות ישירות היו דלילות.
כעת, תמונות הננומטריות הראשונות שצולמו אי פעם בתוך סוללות מטבע ליתיום-מתכות שלמות (הנקראות גם תאי כפתור או סוללות שעון) מאתגרות את התיאוריות הרווחות ויכולות לסייע בהפיכת סוללות בעלות ביצועים גבוהים עתידיים, כגון עבור כלי רכב חשמליים, בטוחות יותר, חזקות יותר וארוכות יותר מתמשך.
"אנו לומדים שעלינו להשתמש בחומרי מפריד מכוונים למתכת ליתיום", אמרה מדענית הסוללות קייטי הריסון, המובילה את צוות המעבדות הלאומיות של Sandia לשיפור ביצועי סוללות ליתיום-מתכת, "אמר המדען.
תוצר לוואי פנימי מצטבר, הורג סוללות
הצוות הטעין ושחרר תאי מטבע ליתיום באותו זרם חשמלי בעוצמה גבוהה שרכבים חשמליים צריכים להטעין. חלק מהתאים עברו כמה מחזורים, בעוד שאחרים עברו יותר ממאה מחזורים. לאחר מכן, התאים נשלחו לניתוח Thermo Fisher Scientific בהילסבורו, אורגון.
כאשר הצוות בדק תמונות של החלק הפנימי של הסוללות, הם ציפו למצוא משקעים בצורת מחט של ליתיום המשתרעים על הסוללה. רוב חוקרי הסוללה חושבים כי קצה ליתיום נוצר לאחר רכיבה חוזרת על עצמו וכי הוא מכה דרך מפריד פלסטיק בין האנודה לקתודה ויוצר גשר שגורם לקצר. אבל ליתיום הוא מתכת רכה, כך שמדענים לא הבינו כיצד הוא יכול לעבור דרך המפריד.
הצוות של הריסון מצא אשם שני מפתיע: הצטברות קשה שנוצרה כתוצר לוואי של התגובות הכימיות הפנימיות של הסוללה. בכל פעם שהסוללה נטענה, תוצר הלוואי, שנקרא אינטראפאז אלקטרוליטים מוצק, גדל. מכסה את הליתיום, הוא קרע חורים במפריד, ויצר פתחים לפיקדונות מתכת להתפשט וליצור קצר. יחד, מרבצי הליתיום ותוצר הלוואי היו הרסניים הרבה יותר ממה שהאמינו בעבר, ופעלו פחות כמו מחט ויותר כמו מחרשת שלג.
"המפריד מגורר לחלוטין", אמר חוקר והוסיף כי מנגנון זה נצפה רק בשיעורי טעינה מהירים הדרושים רכב חשמלי טכנולוגיות, אך לא שיעורי טעינה נמוכים יותר.
כאשר מדענים של Sandia חושבים כיצד לשנות חומרי מפריד, החוקר אומר כי יהיה צורך במחקר נוסף כדי להפחית את היווצרותם של תוצרי לוואי.
מדענים משווים לייזרים עם קריוגנים כדי לצלם תמונות "מגניבות"
קביעת סיבת מוות לסוללת מטבע קשה להפליא. הצרה נובעת ממעטפת הנירוסטה שלה. מעטפת המתכת מגבילה את מה שאבחון, כמו צילומי רנטגן, יכול לראות מבחוץ, ואילו הסרת חלקי התא לצורך ניתוח קורעת את שכבות הסוללה ומעוותת כל ראיה שיש בפנים.
"יש לנו כלים שונים שיכולים לחקור רכיבים שונים של סוללה, אבל באמת לא היה לנו כלי שיכול לפתור הכל בתמונה אחת", אמר החוקר.
החוקרים ומשתפי הפעולה השתמשו במיקרוסקופ שיש לו לייזר כדי לטחון דרך המעטפת החיצונית של הסוללה. הם זיווגו אותו עם בעל מדגם השומר על הקפאת האלקטרוליט הנוזלי של התא בטמפרטורות שבין מינוס 148 למינוס 184 מעלות פרנהייט (מינוס 100 ומינוס 120 מעלות צלזיוס, בהתאמה). הלייזר יוצר פתח גדול מספיק בכדי שקרן אלקטרונים צרה תיכנס ויתקפץ חזרה לגלאי, ותספק תמונה ברזולוציה גבוהה של החתך הפנימי של הסוללה עם מספיק פרטים כדי להבחין בין החומרים השונים.
מכשיר ההדגמה המקורי, שהיה הכלי היחיד בארצות הברית באותה תקופה, נבנה ונמצא עדיין במעבדה מדעית תרמו פישר באורגון. עותק מעודכן נמצא כעת בסנדיה. הכלי ישמש באופן רחב ברחבי סנדיה בכדי לסייע בפתרון חומרים ובעיות ניתוח כשלים רבות.
