Wetenschappers verrast: deze 'lithiumnaalden' kunnen batterijen van binnenuit doorboren
In dit artikel:
Onderzoekers hebben voor het eerst direct gemeten hoe lithiumdendrieten — microscopische, naaldachtige afzettingen van lithium — mechanisch reageren tijdens het opladen van batterijen. In een recent artikel in Science beschrijven teams die dendrieten uit werkende cellen isoleerden en in volledig afgesloten omstandigheden met elektronenmicroscopie onderzochten, dat deze structuren veel stijver en brosser zijn dan lange tijd werd aangenomen.
Dendrieten groeien vanuit de anode tijdens herhaalde laadcycli en zijn extreem dun (ongeveer honderd keer dunner dan een mensenhaar). Omdat ze door vertakkingen steeds langer kunnen worden, vormen ze een risico: een lang genoeg uitstekende dendriet kan de separator tussen anode en kathode doorboren, waardoor een interne kortsluiting en in ernstige gevallen oververhitting of brand mogelijk zijn. Dat maakt dendrietvorming één van de belangrijkste veiligheidsproblemen in batterijtechnologie.
De nieuwe experimenten tonen aan dat dendrieten niet soepel vervormen maar eerder abrupt afbreken — vergelijkbaar met droge spaghetti — doordat een dunne buitenlaag, de solid electrolyte interphase (SEI), de structuur verstevigt en verscherpt. Die brosheid vergroot de kans dat een separator wordt doorboord. Wanneer dendrieten afbreken blijven kleine lithiumdeeltjes achter die elektrisch geïsoleerd raken ("dead lithium"), wat blijvende capaciteitsschade veroorzaakt. Volgens de onderzoekers is er momenteel geen praktische manier om dendrieten uit operationele cellen te verwijderen.
De bevindingen zijn bijzonder relevant voor de ontwikkeling van lithium-metaalbatterijen, die veel hogere energiedichtheden beloven maar al jaren worden tegengehouden door dendrietvorming. Door experimentele metingen te combineren met geavanceerde simulaties krijgen wetenschappers nu een beter begrip van groei, verharding en breuk van dendrieten op nanoschaal. Dit inzicht kan leiden tot nieuwe ontwerpprincipes en mitigatiestrategieën — bijvoorbeeld aangepaste anodematerialen, lithiumlegeringen of verbeterde elektrolyten — om zowel veiligheid als levensduur te verbeteren.
Met de snelle toename van batterijgebruik in elektrische auto’s, energieopslag en consumentenelektronica onderstreept deze studie dat microscopisch kleine structuren grote technische en veiligheidsgevolgen kunnen hebben en dat gerichte materiaal- en celontwerpen nodig zijn om die problemen te overwinnen.