Sudový efekt v tepelnom manažmente batérie
V moderných systémoch skladovania energie z batérií (BESS) prekračuje riadenie teploty len udržiavanie bezpečnej celkovej prevádzkovej teploty. Kritickým, no často prehliadaným cieľom je minimalizácia rozdielov teplôt jednotlivých článkov v rámci toho istého systémového balíka. Keď teplotné rozdiely medzi článkami prekročia rozumné hranice, rozdiely v správaní jednotlivých buniek nevyhnutne spustia klasický „Barrel Effect“, kde je výkon celého systému diktovaný jeho najslabším článkom bunky.
Lítiové pokovovanie a mechanizmus tvorby dendritov
Počas nabíjacieho cyklu lítium{0}}iónových batérií migrujú lítiové ióny z kladnej elektródy smerom k zápornej grafitovej anóde. V ideálnom prípade by tieto ióny mali hladko interkalovať do vrstvenej štruktúry grafitu. Avšak za ne-ideálnych prevádzkových podmienok sa lítiové ióny nedokážu správne usadiť. Namiesto toho prijímajú elektróny priamo na povrch anódy, čím sa redukujú na kovové ukladanie lítia, škodlivý jav známy ako pokovovanie lítiom (Li Plating).
Ako sa toto kovové lítium naďalej ukladá, rastie nerovnomerne do odlišných kryštalických tvarov pripomínajúcich konáre stromov, ihličie alebo fúzy, ktoré sú súhrnne klasifikované ako lítne dendrity. Toto nekontrolované hromadenie predstavuje vážne nebezpečenstvo. Ak dendrit narastie dostatočne dlho na to, aby prerazil vnútorný separátor polyméru, vytvorí priamu elektrickú cestu ku kladnej elektróde, čo spôsobí katastrofický vnútorný skrat, ktorý môže spustiť tepelný únik.
Termodynamická nestabilita a kinetické obmedzenia
Rast dendritov lítia je riadený kombináciou termodynamických a kinetických faktorov. Z termodynamického hľadiska je proces silne ovplyvnený „efektom hrotu“. Mikroskopické výstupky na povrchu anódy vytvárajú lokalizované oblasti s mimoriadne vysokou intenzitou elektrického poľa a hustotou prúdu. Tento lokalizovaný nárast energie prednostne priťahuje prichádzajúce lítiové ióny, čím urýchľuje redukciu a usadzovanie na špičkách, čím vytvára seba-posilňujúcu slučku pozitívnej spätnej väzby rastu dendritov.
Z kinetického hľadiska vyplývajú obmedzenia z nesúladu transportných rýchlostí a štrukturálnych nepravidelností. Keď je nabíjací prúd príliš vysoký alebo teplota okolia príliš klesne, rýchlosť difúzie lítiových iónov zaostáva za rýchlosťou elektrochemickej reakcie, čo vedie k vážnemu deficitu lítium-iónov na rozhraní. Okrem toho mechanická slabosť, nerovnomerné chemické zloženie a nekonzistentná hrúbka v rámci membrány s pevným elektrolytom (SEI) nútia lítiové ióny prednostne prenikať cez najslabšie miesta, prepichovať vrstvu SEI a urýchľovať šírenie dendritu.