Dobíjecí lithium-iontové baterie se používají k napájení mnoha elektronických zařízení v našem každodenním životě, od notebooků a mobilních telefonů až po elektrická auta.Lithium-iontové baterie na dnešním trhu se obvykle spoléhají na kapalný roztok, nazývaný elektrolyt, ve středu článku.

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

Lithium-iontové baterie, které jsou závislé na kapalných elektrolytech, mají hlavní bezpečnostní problém: při přebíjení nebo zkratu se mohou vznítit.Bezpečnější alternativou ke kapalným elektrolytům je postavit baterii, která používá pevný elektrolyt k přenášení iontů lithia mezi anodou a katodou.

Předchozí studie však zjistily, že pevný elektrolyt vedl k malým kovovým výrůstkům, nazývaným dendrity, které se hromadily na anodě během nabíjení baterie.Tyto dendrity zkratují baterie při nízkých proudech, takže jsou nepoužitelné.

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

Vědci se rozhodli studovat hliník a wolfram jako možné kovy, aby vytvořili tuto tenkou kovovou vrstvu.Je to proto, že ani hliník, ani wolfram se nemísí nebo neslučují s lithiem.Vědci věřili, že by to snížilo pravděpodobnost vzniku vad v lithiu.Pokud by se vybraný kov legoval s lithiem, malá množství lithia by se mohla v průběhu času přesunout do kovové vrstvy.To by v lithiu zanechalo typ vady zvané prázdnota, kde by se pak mohl tvořit 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 výkonný mikroskop, nazývaný rastrovací elektronový mikroskop, aby se zblízka podívali na hranici mezi anodou a elektrolytem.Viděli malé mezery a otvory ve vzorku bez kovové vrstvy, přičemž si všimli, že tyto chyby jsou pravděpodobně místa pro růst dendritů.Obě baterie s hliníkovou a wolframovou vrstvou vypadaly hladce a souvisle.

V prvním experimentu procházel každou baterií konstantní elektrický proud po dobu 24 hodin.Baterie bez kovové vrstvy se během prvních 9 hodin zkratovala a selhala, pravděpodobně kvůli růstu dendritů.Žádná baterie s hliníkem nebo wolframem v tomto počátečním experimentu selhala.

Aby bylo možné určit, která kovová vrstva lépe zastavuje růst dendritů, byl proveden další experiment pouze na vzorcích vrstvy hliníku a wolframu.V tomto experimentu byly baterie cyklicky cyklovány zvyšujícími se proudovými hustotami, počínaje proudem použitým v předchozím experimentu a zvyšujícím se o malé množství v každém kroku.

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

Vědci opět použili skenovací elektronový mikroskop ke kontrole hranice mezi anodou a elektrolytem.Viděli, že se v kovové vrstvě začaly tvořit dutiny při dvou třetinách kritických proudových hustot naměřených v předchozím experimentu.Dutiny však nebyly přítomny při jedné třetině kritické proudové hustoty.To potvrdilo, že tvorba dutin pokračuje v růstu dendritů.

Vědci poté provedli výpočetní výpočty, aby pochopili, jak lithium interaguje s těmito kovy, pomocí 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 usnadnilo výběr jiného typu kovu k testování v budoucnu.

Tato studie ukázala, že baterie s pevným elektrolytem jsou spolehlivější, když je mezi elektrolyt a anodu přidána tenká kovová vrstva.Vědci také prokázali, že výběr jednoho kovu před druhým, v tomto případě wolframu místo hliníku, by mohl baterie vydržet ještě déle.Zlepšení výkonu těchto typů baterií je posune o krok blíže k nahrazení vysoce hořlavých baterií s tekutým elektrolytem, ​​které jsou dnes na trhu.