Litio-ioizko baterien azken misterioak argitzen
Gaur egun, litio-ioizko bateriak gure egunerokotasunaren lagun fidelak dira. Nahiz eta argi dagoen gailu horien jasangarritasuna mugatua dela (zientzialari asko alternatibak bilatzen ari dira) ikertzaile batzuek litio-ioizko baterien azken misterioak argitzen dihardute. Berriki, Science aldizkarian argitaratutako artikulu batean, energia metatzeko gailu horien azken misterioetako bat argitu dute zientzialariek: anodo metalikoan sortzen diren eta baterien failan eragiten duten dendrita deituriko «arantzen» hainbat mekanismo.
XXI. mendearen lehen laurdenean, energia elektrikoan oinarritutako eredu energetiko jasangarriago baterako trantsizioak litio-baterien iraultza ekarri digu. Gaur egun, garraioan dute garrantzi handiena litio-bateriek, baina garrantzi handia dute energia berriztagarrien energia-pilaketa sistemetan, aparatu elektronikoetan, industrian eta beste hainbat sektoretan ere. Horrela, poliki-poliki, egungo gizartearen bizimoduaren oinarri bilakatu da teknologia hori, eta, errekonozimendu gisa, 2019. urtean bateria horien hastapenetan nabarmendu ziren hiru ikertzaileri eman zieten Kimikako Nobel saria.
Hala ere, litiozko bateriak erabat ezarritako teknologia izan arren, oraindik ere eragozpen bat baino gehiago dute: alde batetik, haien jasangarritasuna zalantzan jartzen du bateriak ekoizteko erabili behar diren mineralen ustiaketak; bestetik, oraindik ere funtzionamendu-akatsak dituzte, eta horrek mugatu egiten ditu baterien aplikazio potentzialak.
Hori dela eta, ikertzaile askok alternatiba jasangarriagoak bilatzen jarraitzen diharduten bitartean, beste asko egunero erabiltzen ditugun gailu horien azken misterioak argitzen ari dira. Orain, Science aldizkarian argitaratu denez, zientzialariek lehen aldiz ikusi dute dendrita izeneko metalezko «arantza» mikroskopiko batzuk sortzen direla litio-ioizko baterien barruan, eta horrek zirkuitulaburra eragin dezakeela baterietan.
Nanoeskalan hazten diren «arantzak»
Denbora luzez aztertu dute ikertzaileek litiozko dendriten formazioa, baina zaila da guztiz ulertzea nola jokatzen duten egitura horiek baterien barruan. Izan ere, dendritak nanoeskalan sortzen dira, eta nekez ikusten da nola hazten diren funtzionatzen ari den bateria baten sistema itxian.
Orain, Estatu Batuetako eta Singapurreko zientzialariek egindako ikerketa internazional batek esperimentu enpirikoak eta simulazio konputazionalak konbinatu ditu bateriaren hondatzearekin eta failarekin erlazionatzen den gertakari hori argitzeko. Lortutako emaitzek litiozko dendriten funtsezko propietate nanomekanikoak argitzen dituzte, eta Rice Unibertsitateko ikertzaile ohia eta artikuluaren autore nagusia den Qing Ai-k azaltzen duenez, «aurkikuntza honek litiozko baterien segurtasuna hobetu dezake, haien aplikazio-aukerak zabalduz».
Giza ile baten lodiera baino 100 aldiz txikiagoa du, gutxi gorabehera, litiozko dendritak. Egitura metaliko horiek anodoetatik hazten dira, litio-ioizko baterien terminal negatiboetatik, eta haien adarkadurak elektrolitoan sar daitezke positiboki kargatutako katodoraino. Hori gertatzen denean, dendritek zirkuitulaburra eragin dezakete baterian; ondorioz, gailua erabilezin bihurtu dezakete eta, kasu batzuetan, egoera arriskutsuak eragin.
Gertakari horrek litio metalikoan oinarritutako gailuen komertzializazioa mugatzen du batez ere; izan ere, «anodo metalikoa duten bateriek funtzionatzen duten bitartean, litiozko dendritak eratu, hautsi eta elektrikoki isola daitezke bertan, eta litio hila deritzona sortu. Prozesu horren ondorioz, bateriaren energia metatzeko ahalmena denborarekin pixkanaka galdu egiten da», azaltzen du ikertzaileak. Gainera, behin eratuta, litiozko dendritak ia ezin dira bateria batetik ezabatu; «gaur egun, behintzat, ez dago metodo praktikorik martxan dagoen bateria bateko dendritak ‘ezabatzeko’», gaineratzen du Aik.
Espageti lehorrak balira bezala
Ikertzaileek plataforma hermetikoak garatu behar izan zituzten martxan zeuden bateria-dendritak atera ahal izateko eta haien erresistentzia mekanikoa ebaluatzeko. Izan ere, litioa oso erreaktiboa da, eta aldaketa kimikoak eta egiturazkoak izaten ditu, baita aire kantitate txikien eraginpean dagoenean ere. Ondoren, bereizmen handiko mikroskopio elektronikoa erabili zuten, banakako dendritak, tentsio kontrolatuei erantzunez, nola deformatzen diren aztertzeko.
Entsegu mekanikoak egitean, ikertzaileek dendriten portaera harrigarri bat behatu zuten. Litio metalikoa, egoera solidoan, malgua eta xaflakorra da; beraz, espero zen litiozko dendritak ere malguak izatea. Esperimentuek, ordea, kontrakoa erakutsi zuten. Xing Liu-k, artikuluaren bigarren autore nagusiak, dioenez: «denbora luzez onartu izan da litiozko dendritak bigunak eta harikorrak direla, plastilina bezala». Ikertzaileen behaketek iradokitzen dute, aldiz, «arantza» metaliko horiek indartsuak eta hauskorrak direla; «espageti lehorrak balira bezala jokatzen dutela ikusi dugu», dio ikertzaileak.
Gainera, entsegu enpirikoetan jasotako datuak erabiliz, ikertzaileek simulazio eta modelo teorikoak garatu zituzten esperimentalki behatu ez daitekeena argitzeko; «eskala aldakorreko simulazioak egiten genituen, zergatik duten litiozko dendritek uste ez bezalako portaera argitzeko», azaltzen du Liuk. Horrela aurkitu zuten, dendritak eratzerakoan, horiek estaltzen dituen elektrolito solidozko (SEI) interfase-geruza fin bat ere eratzen dela. Estaldura horren eraginez, dendritak zurrunak eta orratz-itxurakoak dira, eta gai dira baterien geruza ezberdinak (bereizgailuak eta elektrolitoak) zulatzeko eta tentsiopean hausteko; horrela, litio zati inaktibo gisa metatzen dira, eta azkenean bateriaren faila eragin dezakete.
Litiozko bateriak hobetzen, material jasangarriagoak iritsi arte
Ikertzaileek egindako aurkikuntzek perspektiba berriak eskaintzen dituzte dendritek hausturako duten joera murrizteko; adibidez, litio-aleazioko anodoak erabiliz. Mekanika konputazionala aztertzen duten ikertzaileentzat, azterketa enpirikoetan ikusitako mekanismoa (nola deformatzen diren dendritak eta zerk eragiten duen haustura) aurrerapauso handia da errendimendu handiko eta ahalmen handiko energia-metaketa duten materialak lortzeko. Horrela, lortutako emaitzek dendritak sartzeko eta litio inaktiboa eratzeko mekanismo ezberdinak argitzen dituzte, eta litio metalikozko bateriak diseinatzeko estrategia berriak garatzeko aukera eskaintzen dute.
Erreferentzia bibliografikoa:
Egileaz:
Oxel Urra Elektrokimikan doktorea da, zientziaren eta artea uztartzen duten proiektuetan aditua, egun zientzia-komunikatzailea da.