Onderzoekers hebben voor het eerst kunnen waarnemen hoe zogeheten lithiumdendrieten groeien in batterijen. Deze microscopische ‘naalden’ blijken veel sterker dan gedacht en kunnen batterijen van binnenuit beschadigen.
Lithium-ionbatterijen vormen de ruggengraat van moderne technologie: van smartphones en laptops tot elektrische auto’s en energieopslag. Toch kampen ze met een hardnekkig probleem dat zich op nanoschaal afspeelt: de vorming van zogeheten lithiumdendrieten — microscopische, naaldachtige structuren van lithium die zich tijdens het opladen vormen op de negatieve elektrode van een batterij.
Volgens de studie, gepubliceerd in Science, blijken deze structuren zich mechanisch heel anders te gedragen dan onderzoekers jarenlang dachten. In plaats van zachte, buigzame structuren blijken dendrieten verrassend sterk en bros te zijn, waardoor ze batterijcomponenten kunnen doorboren en interne kortsluiting kunnen veroorzaken.
Klein maar gevaarlijk
Lithiumdendrieten groeien vanuit de anode — de negatieve elektrode van een batterij — tijdens herhaaldelijke laadcycli. Op nanoschaal ontwikkelen ze zich als vertakkingen die lijken op kleine takjes of naalden.
Hoewel deze dendrieten extreem klein zijn (ongeveer honderd keer dunner dan een menselijke haar), kunnen ze grote gevolgen hebben. Wanneer een dendriet lang genoeg wordt, kan hij de separator tussen anode en kathode doorboren. Dat dunne membraan houdt normaal gesproken de elektroden gescheiden terwijl lithiumionen erdoorheen bewegen.
Als de dendriet beide elektroden met elkaar verbindt, ontstaat een interne kortsluiting. In extreme gevallen kan dat leiden tot oververhitting, batterijschade of zelfs brand. Dendrietvorming geldt daarom al jaren als een van de grootste veiligheidsuitdagingen voor batterijtechnologie.
Voor het eerst direct gemeten
Hoewel dendrieten al decennialang bekend zijn, was het tot nu toe bijzonder moeilijk om hun gedrag direct te bestuderen. De structuren ontstaan in afgesloten batterijcellen en zijn extreem reactief: lithium reageert vrijwel direct met zuurstof of vocht.
Om dit probleem te omzeilen ontwikkelden onderzoekers speciale experimentele platforms waarin dendrieten uit werkende batterijen konden worden geïsoleerd en onderzocht in volledig afgesloten omgevingen. Met behulp van elektronenmicroscopie konden ze vervolgens zien hoe individuele dendrieten reageren op mechanische krachten. Dat leverde voor het eerst directe metingen op van hun sterkte en vervormingsgedrag.
Verrassende ontdekking: niet zacht, maar broos
Jarenlang gingen wetenschappers ervan uit dat lithiumdendrieten zacht en flexibel waren. Lithium als metaal staat immers bekend als relatief kneedbaar. De experimenten lieten echter een heel ander beeld zien.
De structuren bleken eerder te breken als droge spaghetti dan te vervormen zoals zachte klei. Onder mechanische stress kunnen ze plotseling afknappen. Die onverwachte brosheid bleek te worden veroorzaakt door een dunne laag die zich vormt rond de dendriet: de zogeheten solid electrolyte interphase (SEI).
Deze laag maakt de dendriet stijver en scherper, waardoor de kans groter wordt dat hij de separator van een batterij doorboort.
‘Onomkeerbaar’
Dendrieten vormen niet alleen een veiligheidsrisico. Wanneer ze afbreken blijven kleine lithiumfragmenten achter die elektrisch geïsoleerd raken van de elektrode. Onderzoekers noemen dat fenomeen “dead lithium”. Het lithium kan dan niet meer deelnemen aan de elektrochemische reactie van de batterij, waardoor de capaciteit langzaam afneemt.
Volgens de onderzoekers bestaat er momenteel geen praktische manier om dendrieten uit een werkende batterij te verwijderen.
Groot obstakel voor toekomstige batterijen
De ontdekking is vooral belangrijk voor de ontwikkeling van lithium-metaalbatterijen. Deze technologie kan aanzienlijk hogere energiedichtheden bereiken dan de huidige lithium-ionbatterijen en wordt gezien als een mogelijke sleuteltechnologie voor elektrische voertuigen met grotere actieradius. Maar dendrietvorming vormt al jaren een van de grootste barrières voor commerciële toepassing.
Door beter te begrijpen hoe dendrieten groeien, verharden en uiteindelijk breken, hopen onderzoekers nieuwe strategieën te ontwikkelen om het probleem te beperken. Mogelijke oplossingen zijn bijvoorbeeld aangepaste anodematerialen, lithiumlegeringen of verbeterde elektrolyten.
Nieuwe inzichten zijn geen overbodige luxe
De nieuwe inzichten combineren experimentele metingen met geavanceerde simulaties om het gedrag van dendrieten op nanoschaal te verklaren. Volgens de onderzoekers kan dat leiden tot nieuwe ontwerpprincipes voor batterijen die zowel veiliger als duurzamer zijn.
Met de explosieve groei van batterijen in elektrische auto’s, energieopslag en consumentenelektronica is dat geen overbodige luxe. Want hoewel lithiumdendrieten microscopisch klein zijn, kunnen hun gevolgen allesbehalve dat zijn.
