Dobíjacie lítium-iónové batérie sa používajú na napájanie mnohých elektronických zariadení v našom každodennom živote, od notebookov a mobilných telefónov až po elektrické autá.Lítium-iónové batérie na dnešnom trhu sa zvyčajne spoliehajú na kvapalný roztok, nazývaný elektrolyt, v strede článku.

Keď batéria napája zariadenie, lítiové ióny sa pohybujú od záporne nabitého konca alebo anódy cez tekutý elektrolyt ku kladne nabitému koncu alebo katóde.Keď sa batéria nabíja, ióny prúdia opačným smerom od katódy cez elektrolyt k anóde.

Lítium-iónové batérie, ktoré sa spoliehajú na tekuté elektrolyty, majú veľký bezpečnostný problém: pri prebití alebo skrate sa môžu vznietiť.Bezpečnejšou alternatívou k tekutým elektrolytom je postaviť batériu, ktorá využíva pevný elektrolyt na prenášanie lítiových iónov medzi anódou a katódou.

Predchádzajúce štúdie však zistili, že pevný elektrolyt viedol k malým kovovým výrastkom, nazývaným dendrity, ktoré sa hromadili na anóde počas nabíjania batérie.Tieto dendrity skratujú batérie pri nízkych prúdoch, čím sa stávajú nepoužiteľnými.

Rast dendritu začína malými chybami v elektrolyte na hranici medzi elektrolytom a anódou.Vedci v Indii nedávno objavili spôsob, ako spomaliť rast dendritov.Pridaním tenkej kovovej vrstvy medzi elektrolyt a anódu môžu zastaviť rast dendritov do anódy.

Vedci sa rozhodli študovať hliník a volfrám ako možné kovy, aby vytvorili túto tenkú kovovú vrstvu.Je to preto, že ani hliník, ani volfrám sa nemiešajú ani nezliatiny s lítiom.Vedci verili, že to zníži pravdepodobnosť vzniku chýb v lítiu.Ak by sa vybraný kov zlial s lítiom, malé množstvá lítia by sa mohli časom dostať do kovovej vrstvy.To by zanechalo typ chyby nazývanej prázdnota v lítiu, kde by sa potom mohol vytvoriť dendrit.

Aby sa otestovala účinnosť kovovej vrstvy, boli zostavené tri typy batérií: jedna s tenkou vrstvou hliníka medzi lítiovou anódou a pevným elektrolytom, jedna s tenkou vrstvou volfrámu a jedna bez kovovej vrstvy.

Pred testovaním batérií vedci použili vysokovýkonný mikroskop, nazývaný skenovací elektrónový mikroskop, aby sa bližšie pozreli na hranicu medzi anódou a elektrolytom.Vo vzorke videli malé medzery a otvory bez kovovej vrstvy, pričom poznamenali, že tieto chyby sú pravdepodobne miestami pre rast dendritov.Obe batérie s hliníkovou a volfrámovou vrstvou vyzerali hladko a súvisle.

V prvom experimente prechádzal každou batériou konštantný elektrický prúd počas 24 hodín.Batéria bez kovovej vrstvy sa počas prvých 9 hodín skratovala a zlyhala, pravdepodobne v dôsledku rastu dendritov.Ani jedna batéria s hliníkom alebo volfrámom v tomto počiatočnom experimente nezlyhala.

Aby sa určilo, ktorá kovová vrstva bola lepšia pri zastavení rastu dendritu, bol vykonaný ďalší experiment len ​​na vzorkách hliníkovej a volfrámovej vrstvy.V tomto experimente boli batérie cyklované cez rastúce prúdové hustoty, počnúc prúdom použitým v predchádzajúcom experimente a zvyšovaním o malé množstvo v každom kroku.

Prúdová hustota, pri ktorej došlo k skratu batérie, bola považovaná za kritickú prúdovú hustotu pre rast dendritov.Batéria s hliníkovou vrstvou zlyhala pri trojnásobku štartovacieho prúdu a batéria s volfrámovou vrstvou zlyhala pri viac ako päťnásobku štartovacieho prúdu.Tento experiment ukazuje, že volfrám prekonal hliník.

Vedci opäť použili skenovací elektrónový mikroskop na kontrolu hranice medzi anódou a elektrolytom.Videli, že v kovovej vrstve sa začali vytvárať dutiny pri dvoch tretinách kritických prúdových hustôt nameraných v predchádzajúcom experimente.Avšak dutiny neboli prítomné pri jednej tretine kritickej prúdovej hustoty.To potvrdilo, že tvorba dutín pokračuje v raste dendritov.

Vedci potom vykonali výpočtové výpočty, aby pochopili, ako lítium interaguje s týmito kovmi, pomocou toho, čo vieme o tom, ako volfrám a hliník reagujú na zmeny energie a teploty.Ukázali, že hliníkové vrstvy skutočne majú vyššiu pravdepodobnosť vzniku dutín pri interakcii s lítiom.Použitie týchto výpočtov by uľahčilo výber iného typu kovu na testovanie v budúcnosti.

Táto štúdia ukázala, že batérie s pevným elektrolytom sú spoľahlivejšie, keď sa medzi elektrolyt a anódu pridá tenká kovová vrstva.Vedci tiež ukázali, že výber jedného kovu pred druhým, v tomto prípade volfrámu namiesto hliníka, by mohol predĺžiť životnosť batérií.Zlepšenie výkonu týchto typov batérií ich posunie o krok bližšie k nahradeniu vysoko horľavých batérií s tekutým elektrolytom, ktoré sú dnes na trhu.