L'efecte barril en la gestió tèrmica de la bateria
En els moderns sistemes d'emmagatzematge d'energia de la bateria (BESS), la gestió tèrmica va més enllà del simple manteniment d'una temperatura de funcionament global segura. Un objectiu crític però que sovint es passa per alt és minimitzar els diferencials de temperatura cel·lulars individuals dins del mateix paquet de sistema. Quan les variacions de temperatura entre les cèl·lules superen els límits raonables, les diferències en el comportament de les cèl·lules individuals desencadenen inevitablement el clàssic "efecte barril", on el rendiment de tot el sistema està dictat pel seu enllaç cel·lular més feble.
El revestiment de liti i el mecanisme de formació de dendrites
Durant el cicle de càrrega de les bateries d'ions de liti-, els ions de liti migren des de l'elèctrode positiu cap a l'ànode de grafit negatiu. Idealment, aquests ions haurien d'intercalar-se suaument a l'estructura en capes del grafit. Tanmateix, en condicions de funcionament no-idees, els ions de liti no s'incorporen correctament. En canvi, accepten electrons directament a la superfície de l'ànode, que es redueixen a la deposició de liti metàl·lic, un fenomen nociu conegut com a revestiment de liti (Li Plating).
A mesura que aquest liti metàl·lic continua dipositant-se, creix de manera desigual en diferents formes cristal·lines que s'assemblen a branques d'arbres, agulles o bigotis, que es classifiquen col·lectivament com a dendrites de liti. Aquesta acumulació incontrolada suposa un greu perill. Si una dendrita creix el temps suficient per perforar el separador de polímer intern, crea una via elèctrica directa a l'elèctrode positiu, provocant un curtcircuit intern catastròfic que pot desencadenar una fuga tèrmica.
Inestabilitat termodinàmica i restriccions cinètiques
El creixement de les dendrites de liti es regeix per una combinació de factors termodinàmics i cinètics. Des d'una perspectiva termodinàmica, el procés està molt influenciat per l'"efecte punta". Les protuberàncies microscòpiques a la superfície de l'ànode creen àrees localitzades amb intensitat de camp elèctric i densitat de corrent excepcionalment altes. Aquesta pujada d'energia localitzada atreu preferentment els ions de liti entrants, accelerant la reducció i la deposició a les puntes, creant un bucle de retroalimentació positiva de creixement de dendrites que s'-reforça.
Des del punt de vista cinètic, les limitacions provenen de taxes de transport desajustades i irregularitats estructurals. Quan el corrent de càrrega és massa alt o la temperatura ambient baixa massa, la velocitat de difusió dels ions de liti cau per darrere de la velocitat de reacció electroquímica, donant lloc a un dèficit greu d'ions de liti-a la interfície. A més, la debilitat mecànica, la composició química desigual i el gruix inconsistent dins de la membrana de la interfase d'electròlits sòlids (SEI) obliguen els ions de liti a penetrar preferentment pels punts més febles, perforant la capa SEI i accelerant la propagació de les dendrites.