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

Коли акумулятор живить пристрій, іони літію рухаються від негативно зарядженого кінця, або анода, через рідкий електроліт до позитивно зарядженого кінця, або катода. Під час заряджання акумулятора іони рухаються в іншому напрямку від катода, через електроліт, до анода.

Літій-іонні акумулятори, що працюють на рідких електролітах, мають серйозну проблему безпеки: вони можуть спалахнути при перезарядженні або короткому замиканні. Безпечнішою альтернативою рідким електролітам є створення акумулятора, який використовує твердий електроліт для перенесення іонів літію між анодом і катодом.

Однак попередні дослідження показали, що твердий електроліт призвів до утворення невеликих металевих наростів, які називаються дендритами, що накопичувалися на аноді під час заряджання акумулятора. Ці дендрити за низьких струмів викликають коротке замикання акумуляторів, роблячи їх непридатними для використання.

Ріст дендритів починається з невеликих дефектів в електроліті на межі між електролітом та анодом. Вчені в Індії нещодавно виявили спосіб уповільнити ріст дендритів. Додаючи тонкий металевий шар між електролітом та анодом, вони можуть запобігти росту дендритів в анод.

Вчені вирішили дослідити алюміній та вольфрам як можливі метали для створення цього тонкого металевого шару. Це пояснюється тим, що ні алюміній, ні вольфрам не змішуються та не сплавляються з літієм. Вчені вважали, що це знизить ймовірність утворення дефектів у літії. Якщо обраний метал сплавлятиметься з літієм, невелика кількість літію з часом може перейти в металевий шар. Це залишить у літії тип дефекту, який називається порожнечею, де потім може утворитися дендрит.

Для перевірки ефективності металевого шару було зібрано три типи акумуляторів: один з тонким шаром алюмінію між літієвим анодом і твердим електролітом, один з тонким шаром вольфраму та один без металевого шару.

Перед тестуванням батарей вчені використали потужний мікроскоп, який називається скануючим електронним мікроскопом, щоб уважно дослідити межу між анодом та електролітом. Вони побачили невеликі проміжки та отвори у зразку без металевого шару, зазначивши, що ці дефекти, ймовірно, є місцями для росту дендритів. Як батареї з алюмінієвим, так і з вольфрамовим шарами виглядали гладкими та безперервними.

У першому експерименті через кожну батарею циклічно пропускали постійний електричний струм протягом 24 годин. Батарейка без металевого шару сталася короткозамикаючою та вийшла з ладу протягом перших 9 годин, ймовірно, через ріст дендритів. Жодна батарея з алюмінієм чи вольфрамом не вийшла з ладу в цьому початковому експерименті.

Щоб визначити, який металевий шар краще зупиняє ріст дендритів, було проведено ще один експеримент лише на зразках з алюмінієвим та вольфрамовим шарами. У цьому експерименті батареї циклічно зростали зі щільністю струму, починаючи зі струму, що використовувався в попередньому експерименті, і збільшуючись на невелику величину на кожному кроці.

Вважалося, що щільність струму, за якої відбувалося коротке замикання акумулятора, є критичною щільністю струму для росту дендритів. Акумулятор з алюмінієвим шаром виходив з ладу при струмі, що втричі перевищував початковий струм, а акумулятор з вольфрамовим шаром виходив з ладу при струмі, що перевищував початковий струм більш ніж у п'ять разів. Цей експеримент показує, що вольфрам перевершив алюміній.

Знову ж таки, вчені використали скануючий електронний мікроскоп для дослідження межі між анодом та електролітом. Вони побачили, що пустоти почали утворюватися в металевому шарі при двох третинах критичної густини струму, виміряної в попередньому експерименті. Однак пустоти не були присутні при одній третині критичної густини струму. Це підтвердило, що утворення пустот дійсно відбувається в процесі росту дендритів.

Потім вчені провели обчислювальні розрахунки, щоб зрозуміти, як літій взаємодіє з цими металами, використовуючи те, що ми знаємо про те, як вольфрам та алюміній реагують на зміни енергії та температури. Вони продемонстрували, що алюмінієві шари дійсно 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 твердоелектролітні батареї надійніші, коли між електролітом та анодом додається тонкий металевий шар. Вчені також продемонстрували, що вибір одного металу замість іншого, у цьому випадку вольфраму замість алюмінію, може зробити батареї ще довше служити їм. Покращення продуктивності цих типів батарей наблизить їх на крок до заміни легкозаймистих рідких електролітних батарей, які є на ринку сьогодні.