Litio metalikoa elektrodo negatibo gisa litio ioien bateria kargagarrietarako (litio metalikozko bateria deituak) segurtasunez erabiltzeko aukerak energia dentsitatea nabarmen handitzea ekarriko du.

Hori bihurtu da baterien teknologiarako helburu garrantzitsuenetako bat. Hala ere, Litio metalikoa hezetasunarekin bortizki erreakzionatzeagatik eta ziklatu elektrokimikoan dendritak hazteagatik ezagutzen da, ondorio dramatikoekin gelaxkaren barneko zirkuitulabur batera eraman dezakeena. Izan ere, litio metalikozko anodoak kontrolatzeko gaitasuna funtsezko faktorea izango da Li-ion ondorengo edo Li-ionetik haragoko hainbat teknologiarentzat, hau da, Li-ion-eko egoera sólidoko teknologiak, Li-S eta Li-aire.

Hori posible izan dadin eta trantsizio hau ahalbidetzeko, orain arte, Li metaleko anodoek elektrolito, gatz eta gehigarri berrien aurrean ematen duten erantzun elektrokimikoaren alderdi fenomenologikoei buruzko ikerketa ugari egin dira.

Une honetan, gai honetan ahalegin handiak egin diren arren, oraindik ere gai batzuk irekita daude Advanced Energy Materials aldizkarian argitaratu berri dugun lanean. CIC energiGUNEk zuzendutako lan honetan, Alemaniako Karlsruhe (HIU-KIT) Teknologia Institutuko kide den Ulmeko Helmholtz Institutuarekin eta Liverpoolgo Unibertsitatearekin eta Erresuma Batuko Zientzia eta Teknologia Instalazioen Kontseiluarekin batera, litio metalikoaren azalera eta haren bilakaera aztertu ditugu, gas atmosferikoetan aurki daitezkeen interakzio kontrolatuaren aurrean.

Bereizi beharreko funtsezko puntuen artean, honako hauek dira Li metaleko anodoak ulertzeko eta ondoren kontrolatzeko lehen urratsak:

• Zein da Li metalaren anodoaren gainazalaren izaera?

Anodo gisa erabilitako litio xaflen azalera benetan litioz osatuta dagoela suposatzen da. Hala ere, litioa oso elementu erreaktiboa izanik eta edozein sistemaren azalera masaren eta unibertsoaren gainerakoaren arteko interfazea izanik, litio xaflen azalera litioa baino zerbait gehiago izango dela pentsatzea onargarria da.

Gure behaketek ondorioztatu dutenez, litioa Ar sistemaz betetako eskularru-kaxa batean atmosfera bizigabe baten azpian mantentzen bada ere, litioa prozesatzeko lerroetan edo biltegiratze-lekuetan dauden ur, oxigeno eta abarren trazak nahikoak dira Li lamina estaltzen duen litio-karbonatozko geruza lodi bat sortzeko. Beste hitz batzuetan, gelaxka bat mihiztatzeko erabiltzen den Li metala, elektrolitoarekin interfazea izango den lodiera duen mikra baten Li₂CO₃ geruza batez estalita dago.

• Lor al daiteke Li metal puruaren anodorik?

Aurreko puntuan baieztatu den bezala, Li anodo metalikodun bateria batean, Li₂CO₃ elektrolitoarekin kontaktu estuan dagoen materiala da. Beraz, Li metal purua lortu nahi genuen material puru honen portaera ulertzeko, lehenik, bateria muntatzeko manipulatzen zen bitartean, eta, bigarrenik, elektrolitoarekin kontaktuan zegoena ziklatu elektrokimikoan.

Hori dela eta, garbiketa-prozedura bat garatu genuen, eta horri esker litio metalikozko azalerak lortu ahal izan genituen, % 95eko purutasunarekin. Metodo hau litio azaleraren grabatuan oinarritzen da ioi inerteen sorta baten bidez, metal purua erakutsiz litio karbonato geruza ezabatzen den arte.

• Nola elkarreragingo du Li metalak bateriaren prozesamendu-lerroetan dauden gasekin?

Li-ioneko bateriak mihiztatzeko egungo instalazioak hezetasunarekiko sentsibleak diren pasabideak atmosfera lehorreko ingurune batean giltzapetuta edukitzearen mende daude. Bestela esanda, ingurune honetan prozesatzen den Li metal purua kontuan hartuz gero, Li gainazala oxigenoaren (O₂), nitrogenoaren (N₂) eta karbono dioxidoaren (CO₂) eraginpean egongo litzateke nagusiki. Beraz, Li puruaren gainazalak O₂, N₂ eta CO₂ puruaren dosi kontrolatuetan azaldu genituen.

Espero zen bezala, oxigenoarekiko esposizioak Li gainazalaren oxidaziora eramaten du, ondoren litio oxidoa (Li₂O) sortuz. Karbono dioxidoarekiko esposizioak, emaitza bezala, Li₂O eta Li₂CO₃z osatutako gainjarritako geruza bat sortzea eragin zuen. Konposatu hauen eraketa Li puruaren izaera oso murriztaileak eragindako gas-molekulen disoziazioaren ondorio da. Hala ere, energia gradiente hau ez da nahikoa Li gainazalarekin inola ere erreakzionatzen ez duten N₂ molekulak disoziatzeko.

• Zein da elkarrekintza horren eragina?

Egokiena Li gainazalaren aldaketak anodo-elektrolito interfazea egonkortzen laguntzea litzateke. Hau, elektrodoaren energia, lehenik Fermiren energiara hurbiltzen dena, elektrolitoaren egonkortasun leihoaren barruan erortzen denean bakarrik gertatuko da, erantsitako irudiaren gune grisa dena. Kontaktu-interfazearen egonkortasuna bermatzen duen energia-eskualde gisa defini daiteke.

Leiho horretatik kanpoko kontaktu-interfaze batek elektrolitoaren berezko murrizketa edo oxidazioa eragingo du, eta, azken batean, gelaxkaren degradazioa. Esate baterako, koulombiaren eraginkortasuna % 0,1 gutxitzeak (karga- eta deskarga-ahalmenaren arteko erlazioa, % 99,9tik % 99,8ra) gelaxkaren bizitza erabilgarria % 50 murriztea dakar (azken hori hasierako gaitasunaren % 80ra iritsi aurreko ziklo-kopurua bezala definitzen da).

Litiozko anodoaren ohiko azalerek elektrodoaren energia elektrolitoaren egonkortasun-leihotik kanpo eramaten dute, erantsitako irudiko (a) panelean erakusten den bezala. Gainazala aldatu behar da, elektrodoaren energia elektrolitoaren egonkortasun-leihorantz mugiarazteko, ondoko irudian ageri den (b) panelean ikus daitekeen bezala. Egokiena litzateke azalera hori ioien eroalea eta aldi berean isolatzaile elektrikoa izatea, elkarreragiten duten elektrolitozko molekulak murrizteko joera txikiagoarekin.

Azterlan honetan, litiozko azalerak lortu ditugu, nahi direnen kontrako propietate elektronikoak dituztenak. Beraz, litiozko ioi bateria konbentzionalen ekoizpen lerroen atmosfera ez da egokia Li anodo egonkorrak lortzeko. Funtsezko azterlan honek Li anodoen egonkortasunerako bide egokian jarri gaitu. Li anodo metalikoen etorkizuneko garapenetan, anodoaren gainazala araztu beharko da, eta, ondoren, gainazala tratatu, elektrolitoarekin erreakzio espontaneoak eragiten dituen gradiente energetikoa murrizteko.