Перезаряджувані літій-іонні батареї використовуються для живлення багатьох електронних пристроїв у нашому повсякденному житті, від ноутбуків і мобільних телефонів до електромобілів.Літій-іонні батареї на ринку сьогодні зазвичай покладаються на рідкий розчин, який називається електролітом, у центрі елемента.

Коли батарея живить пристрій, іони літію рухаються від негативно зарядженого кінця або анода через рідкий електроліт до позитивно зарядженого кінця або катода.Коли батарея перезаряджається, іони течуть в іншому напрямку від катода, через електроліт, до анода.

Літій-іонні батареї, що працюють на рідких електролітах, мають серйозну проблему з безпекою: вони можуть спалахнути в разі надмірного заряду або короткого замикання.Більш безпечною альтернативою рідким електролітам є створення батареї, яка використовує твердий електроліт для перенесення іонів літію між анодом і катодом.

Однак попередні дослідження показали, що твердий електроліт призводить до утворення невеликих металевих утворень, званих дендритами, які накопичуються на аноді під час заряджання батареї.Ці дендрити замикають батареї при малих струмах, роблячи їх непридатними для використання.

Зростання дендритів починається з невеликих дефектів електроліту на межі між електролітом і анодом.Вчені з Індії нещодавно знайшли спосіб уповільнити ріст дендритів.Додаючи тонкий металевий шар між електролітом і анодом, вони можуть зупинити зростання дендритів в аноді.

Вчені вирішили вивчити алюміній і вольфрам як можливі метали для створення цього тонкого металевого шару.Це тому, що ні алюміній, ні вольфрам не змішуються або не сплавляються з літієм.Вчені вважають, що це знизить ймовірність утворення дефектів у літію.Якби обраний метал дійсно сплавлявся з літієм, невеликі кількості літію могли б з часом перейти в металевий шар.Це залишило б такий тип дефекту, який називається порожнечею в літії, де міг би утворитися дендрит.

Щоб перевірити ефективність металевого шару, було зібрано три типи батарей: одна з тонким шаром алюмінію між літієвим анодом і твердим електролітом, одна з тонким шаром вольфраму і одна без металевого шару.

Перед тестуванням батарей вчені використовували потужний мікроскоп, який називається скануючим електронним мікроскопом, щоб уважно розглянути межу між анодом і електролітом.Вони побачили невеликі щілини та дірки в зразку без металевого шару, зазначивши, що ці дефекти є ймовірними місцями зростання дендритів.Обидві батареї з алюмінієвим і вольфрамовим шарами виглядали гладкими і суцільними.

У першому експерименті через кожну батарею протягом 24 годин проходив постійний електричний струм.Батарея без металевого шару замикалася та виходила з ладу протягом перших 9 годин, ймовірно, через ріст дендритів.Жодна батарея з алюмінієм або вольфрамом не зазнала невдачі в цьому початковому експерименті.

Щоб визначити, який металевий шар краще зупиняє ріст дендритів, був проведений інший експеримент лише на зразках шару алюмінію та вольфраму.У цьому експерименті батареї змінювалися через збільшення щільності струму, починаючи зі струму, який використовувався в попередньому експерименті, і збільшуючись на невелику величину на кожному кроці.

Щільність струму, при якій батарея замикалася, вважалася критичною щільністю струму для росту дендритів.Батарея з алюмінієвим шаром вийшла з ладу при струмі, що в три рази перевищує пусковий струм, а акумулятор з шаром вольфраму вийшов з ладу при струмі, що перевищує в п’ять разів пусковий струм.Цей експеримент показує, що вольфрам перевершив алюміній.

Знову ж таки, вчені використали скануючий електронний мікроскоп, щоб перевірити межу між анодом і електролітом.Вони побачили, що порожнечі почали утворюватися в металевому шарі при двох третинах критичної густини струму, виміряної в попередньому експерименті.Однак порожнечі не були присутні при одній третині критичної густини струму.Це підтвердило, що утворення порожнеч дійсно супроводжується ростом дендритів.

Потім вчені провели обчислювальні розрахунки, щоб зрозуміти, як літій взаємодіє з цими металами, використовуючи те, що ми знаємо про те, як вольфрам і алюміній реагують на зміни енергії та температури.Вони продемонстрували, що алюмінієві шари справді мають вищу ймовірність утворення пустот при взаємодії з літієм.Використання цих розрахунків полегшило б вибір іншого типу металу для тестування в майбутньому.

Це дослідження показало, що батареї з твердим електролітом більш надійні, якщо між електролітом і анодом додається тонкий металевий шар.Вчені також продемонстрували, що вибір одного металу замість іншого, в даному випадку вольфраму замість алюмінію, може збільшити термін служби батарей.Поліпшення продуктивності цих типів батарей наблизить їх на крок до заміни легкозаймистих батарей з рідким електролітом, які є на ринку сьогодні.