Презареждаемите литиево-йонни батерии се използват за захранване на много електроника в нашето ежедневие, от лаптопи и мобилни телефони до електрически автомобили.Литиево-йонните батерии на пазара днес обикновено разчитат на течен разтвор, наречен електролит, в центъра на клетката.

Когато батерията захранва устройство, литиевите йони се движат от отрицателно заредения край или анода през течния електролит към положително заредения край или катода.Когато батерията се презарежда, йоните протичат в другата посока от катода, през електролита, към анода.

Литиево-йонните батерии, които разчитат на течни електролити, имат голям проблем с безопасността: те могат да се запалят при презареждане или късо съединение.По-безопасна алтернатива на течните електролити е изграждането на батерия, която използва твърд електролит за пренасяне на литиеви йони между анода и катода.

Предишни проучвания обаче установиха, че твърд електролит води до малки метални израстъци, наречени дендрити, които се натрупват върху анода, докато батерията се зарежда.Тези дендрити късо свързват батериите при ниски токове, което ги прави неизползваеми.

Растежът на дендритите започва при малки дефекти в електролита на границата между електролит и анод.Учени в Индия наскоро откриха начин за забавяне на растежа на дендритите.Чрез добавяне на тънък метален слой между електролита и анода те могат да спрат нарастването на дендритите в анода.

Учените избраха да изследват алуминия и волфрама като възможни метали, за да изградят този тънък метален слой.Това е така, защото нито алуминият, нито волфрамът не се смесват или сплавят с литий.Учените смятат, че това ще намали вероятността от образуване на дефекти в лития.Ако избраният метал направи сплав с литий, малки количества литий биха могли да се преместят в металния слой с течение на времето.Това ще остави вид дефект, наречен празнота в лития, където може да се образува дендрит.

За да се тества ефективността на металния слой, бяха сглобени три вида батерии: една с тънък слой алуминий между литиевия анод и твърдия електролит, една с тънък слой волфрам и една без метален слой.

Преди да тестват батериите, учените са използвали мощен микроскоп, наречен сканиращ електронен микроскоп, за да разгледат отблизо границата между анода и електролита.Те видяха малки празнини и дупки в пробата без метален слой, отбелязвайки, че тези недостатъци вероятно са места за растеж на дендрити.И двете батерии с алуминиев и волфрамов слой изглеждаха гладки и непрекъснати.

В първия експеримент постоянен електрически ток преминава през всяка батерия в продължение на 24 часа.Батерията без метален слой даде късо съединение и се повреди през първите 9 часа, вероятно поради нарастване на дендрита.Нито една батерия с алуминий или волфрам не успя в този първоначален експеримент.

За да се определи кой метален слой е по-добър при спиране на растежа на дендритите, беше извършен друг експеримент само върху пробите от алуминиев и волфрамов слой.В този експеримент батериите бяха циклично преминавани през нарастваща плътност на тока, започвайки от тока, използван в предишния експеримент и увеличавайки се с малко количество на всяка стъпка.

Смята се, че плътността на тока, при която батерията е късо, е критичната плътност на тока за растеж на дендрита.Батерията с алуминиев слой се повреди при три пъти стартовия ток, а батерията с волфрамов слой отказа при над пет пъти стартовия ток.Този експеримент показва, че волфрамът превъзхожда алуминия.

Отново учените използваха сканиращ електронен микроскоп, за да инспектират границата между анода и електролита.Те видяха, че празнините започват да се образуват в металния слой при две трети от критичните плътности на тока, измерени в предишния експеримент.Въпреки това, празнините не присъстват при една трета от критичната плътност на тока.Това потвърди, че образуването на празнини продължава растежа на дендритите.

След това учените проведоха изчислителни изчисления, за да разберат как литият взаимодейства с тези метали, използвайки това, което знаем за това как волфрамът и алуминият реагират на промените в енергията и температурата.Те демонстрираха, че алуминиевите слоеве наистина имат по-голяма вероятност за развитие на кухини при взаимодействие с литий.Използването на тези изчисления би улеснило избора на друг тип метал за тестване в бъдеще.

Това проучване показа, че батериите с твърд електролит са по-надеждни, когато се добави тънък метален слой между електролита и анода.Учените също демонстрират, че изборът на един метал пред друг, в този случай волфрам вместо алуминий, може да направи батериите още по-дълготрайни.Подобряването на производителността на тези видове батерии ще ги доближи една стъпка по-близо до замяната на силно запалимите батерии с течен електролит на пазара днес.