Dobíjecí lithium-iontové baterie se používají k napájení mnoha elektronických zařízení v našem každodenním životě, od notebooků a mobilních telefonů až po elektromobily. Lithium-iontové baterie na dnešním trhu obvykle využívají kapalný roztok zvaný elektrolyt, který se nachází uprostřed článku.

Když baterie napájí zařízení, lithiové ionty se pohybují od záporně nabitého konce, neboli anody, přes kapalný elektrolyt ke kladně nabitému konci, neboli katodě. Při dobíjení baterie proudí ionty opačným směrem, od katody, přes elektrolyt, k anodě.

Lithium-iontové baterie, které se spoléhají na kapalné elektrolyty, mají zásadní bezpečnostní problém: při přebití nebo zkratu se mohou vznítit. Bezpečnější alternativou ke kapalným elektrolytům je konstrukce baterie, která používá pevný elektrolyt k přenosu lithiových iontů mezi anodou a katodou.

Předchozí studie však zjistily, že pevný elektrolyt vede k malým kovovým výrůstkům, nazývaným dendrity, které se během nabíjení baterie hromadí na anodě. Tyto dendrity při nízkých proudech zkratují baterie, čímž je činí nepoužitelnými.

Růst dendritů začíná v malých defektech v elektrolytu na hranici mezi elektrolytem a anodou. Vědci v Indii nedávno objevili způsob, jak růst dendritů zpomalit. Přidáním tenké kovové vrstvy mezi elektrolyt a anodu mohou zabránit vrůstání dendritů do anody.

Vědci se rozhodli studovat hliník a wolfram jako možné kovy pro vytvoření této tenké kovové vrstvy. Je to proto, že ani hliník, ani wolfram se nemísí ani neslitinují s lithiem. Vědci se domnívali, že by to snížilo pravděpodobnost vzniku vad v lithiu. Pokud by se zvolený kov s lithiem slil, mohlo by se do kovové vrstvy časem dostat malé množství lithia. To by v lithiu zanechalo typ vad zvaný dutina, kde by se pak mohl vytvořit dendrit.

Aby se otestovala účinnost kovové vrstvy, byly sestaveny tři typy baterií: jedna s tenkou vrstvou hliníku mezi lithiovou anodou a pevným elektrolytem, ​​jedna s tenkou vrstvou wolframu a jedna bez kovové vrstvy.

Před testováním baterií vědci použili vysoce zvětšený mikroskop, nazývaný rastrovací elektronový mikroskop, aby se blíže podívali na hranici mezi anodou a elektrolytem. Ve vzorku bez kovové vrstvy viděli malé mezery a otvory a poznamenali, že tyto kazy jsou pravděpodobně místy pro růst dendritů. Baterie s hliníkovou i wolframovou vrstvou vypadaly hladké a souvislé.

V prvním experimentu byl každou baterií po dobu 24 hodin cyklicky propouštěn konstantní elektrický proud. Baterie bez kovové vrstvy zkratovala a selhala během prvních 9 hodin, pravděpodobně v důsledku růstu dendritů. Ani baterie s hliníkem, ani s wolframem v tomto prvním experimentu nesedla.

Aby se zjistilo, která kovová vrstva lépe zastavuje růst dendritů, byl proveden další experiment pouze na vzorcích hliníkové a wolframové vrstvy. V tomto experimentu byly baterie cyklicky propouštěny se zvyšujícími se proudovými hustotami, počínaje proudem použitým v předchozím experimentu a s každým krokem se mírně zvyšovaly.

Hustota proudu, při které došlo ke zkratu baterie, byla považována za kritickou hustotu proudu pro růst dendritů. Baterie s hliníkovou vrstvou selhala při trojnásobku počátečního proudu a baterie s wolframovou vrstvou selhala při více než pětinásobku počátečního proudu. Tento experiment ukazuje, že wolfram překonal hliník.

Vědci opět použili rastrovací elektronový mikroskop k prozkoumání hranice mezi anodou a elektrolytem. Zjistili, že se v kovové vrstvě začaly tvořit dutiny při dvou třetinách kritické hustoty proudu naměřené v předchozím experimentu. Dutiny však nebyly přítomny při jedné třetině kritické hustoty proudu. To potvrdilo, že tvorba dutin skutečně předchází růstu dendritů.

Vědci poté provedli počítačové výpočty, aby pochopili, jak lithium interaguje s těmito kovy, s využitím toho, co víme o tom, jak wolfram a hliník reagují na změny energie a teploty. Prokázali, že hliníkové vrstvy skutečně mají vyšší pravděpodobnost vzniku dutin při interakci s lithiem. Použití těchto výpočtů by v budoucnu usnadnilo výběr jiného typu kovu k testování.

Tato studie ukázala, že baterie s pevným elektrolytem jsou spolehlivější, když je mezi elektrolyt a anodu přidána tenká kovová vrstva. Vědci také prokázali, že volba jednoho kovu před druhým, v tomto případě wolframu místo hliníku, by mohla prodloužit životnost baterií. Zlepšení výkonu těchto typů baterií je přiblíží k nahrazení vysoce hořlavých baterií s kapalným elektrolytem, ​​které jsou dnes na trhu.