Қайта зарядталатын литий-иондық аккумуляторлар біздің күнделікті өмірімізде ноутбуктер мен ұялы телефондардан бастап электромобильдерге дейін көптеген электрониканы қуаттандыру үшін қолданылады.Бүгінгі нарықтағы литий-ионды батареялар әдетте жасушаның ортасында электролит деп аталатын сұйық ерітіндіге сүйенеді.

Батарея құрылғыны қуаттандырғанда, литий иондары теріс зарядталған ұшынан немесе анодтан сұйық электролит арқылы оң зарядталған ұшына немесе катодқа ауысады.Батареяны қайта зарядтау кезінде иондар катодтан электролит арқылы анодқа басқа бағытта ағып кетеді.

Сұйық электролиттерге сүйенетін литий-иондық батареялар маңызды қауіпсіздік мәселесіне ие: олар шамадан тыс зарядталған немесе қысқа тұйықталу кезінде өртеніп кетуі мүмкін.Сұйық электролиттерге қауіпсіз балама - анод пен катод арасында литий иондарын тасымалдау үшін қатты электролит пайдаланатын батареяны құру.

Дегенмен, алдыңғы зерттеулер қатты электролит батарея зарядталып жатқанда анодта жиналатын дендриттер деп аталатын шағын металл өсінділеріне әкелетінін анықтады.Бұл дендриттер батареяларды төмен токта қысқа тұйықтап, оларды жарамсыз етеді.

Дендриттің өсуі электролит пен анод арасындағы шекарадағы электролиттегі кішігірім кемшіліктерден басталады.Жақында Үндістан ғалымдары дендриттің өсуін баяулататын әдісті тапты.Электролит пен анод арасына жұқа металл қабатын қосу арқылы олар дендриттердің анодқа өсуін тоқтата алады.

Ғалымдар осы жұқа металл қабатын құру үшін мүмкін болатын металдар ретінде алюминий мен вольфрамды зерттеуді таңдады.Себебі алюминий де, вольфрам да литиймен қоспасы немесе қорытпасы жоқ.Ғалымдар бұл литийде ақаулардың пайда болу ықтималдығын азайтады деп сенді.Егер таңдалған металл литиймен қорытпаланған болса, литийдің аз мөлшері уақыт өте келе металл қабатына ауысуы мүмкін.Бұл литийде дендрит пайда болатын бос орын деп аталатын кемшіліктің түрін қалдырады.

Металл қабатының тиімділігін тексеру үшін батареялардың үш түрі құрастырылды: біреуі литий аноды мен қатты электролит арасында жұқа алюминий қабаты бар, біреуі жұқа вольфрам қабаты бар және металл қабаты жоқ.

Батареяларды сынамас бұрын ғалымдар анод пен электролит арасындағы шекараны мұқият қарау үшін сканерлеуші ​​электронды микроскоп деп аталатын жоғары қуатты микроскопты пайдаланды.Олар үлгідегі металл қабаты жоқ шағын саңылаулар мен тесіктерді көрді, бұл кемшіліктер дендриттердің өсу орны болуы мүмкін екенін атап өтті.Алюминий және вольфрам қабаттары бар батареялардың екеуі де тегіс және үздіксіз көрінді.

Бірінші тәжірибеде әр батареяда 24 сағат бойы тұрақты электр тогы айналды.Металл қабаты жоқ аккумулятор қысқа тұйықталды және дендриттің өсуіне байланысты алғашқы 9 сағат ішінде істен шықты.Бұл бастапқы экспериментте алюминий немесе вольфрам бар батареялардың ешқайсысы сәтсіз аяқталды.

Дендриттің өсуін тоқтату үшін қай металл қабаты жақсырақ екенін анықтау үшін алюминий және вольфрам қабаттарының үлгілеріне тағы бір тәжірибе жүргізілді.Бұл тәжірибеде батареялар алдыңғы тәжірибеде пайдаланылған токтан басталып, әр қадам сайын аз мөлшерде артып, ток тығыздығын арттыру арқылы айналдырылды.

Батареяның қысқа тұйықталуы кезіндегі ток тығыздығы дендриттің өсуі үшін маңызды ток тығыздығы деп есептелді.Алюминий қабаты бар аккумулятор бастапқы токтан үш есе, ал вольфрам қабаты бар батарея іске қосу токынан бес есе артық істен шықты.Бұл тәжірибе вольфрамның алюминийден жоғары екенін көрсетеді.

Тағы да ғалымдар анод пен электролит арасындағы шекараны тексеру үшін сканерлеуші ​​электронды микроскопты пайдаланды.Олар металл қабатында алдыңғы тәжірибеде өлшенген критикалық ток тығыздықтарының үштен екісінде бос орындар пайда бола бастағанын көрді.Дегенмен, сыни ток тығыздығының үштен бірінде бос орындар болған жоқ.Бұл қуыстың пайда болуы дендриттің өсуін жалғастыратынын растады.

Содан кейін ғалымдар вольфрам мен алюминийдің энергия мен температураның өзгеруіне қалай жауап беретіні туралы білетінімізді пайдалана отырып, литийдің осы металдармен қалай әрекеттесетінін түсіну үшін есептеу есептеулерін жүргізді.Олар алюминий қабаттарының литиймен әрекеттесу кезінде бос орындардың пайда болу ықтималдығы жоғары екенін көрсетті.Осы есептеулерді пайдалану болашақта сынау үшін металдың басқа түрін таңдауды жеңілдетеді.

Бұл зерттеу электролит пен анод арасына жұқа металл қабаты қосылғанда қатты электролит батареялары сенімдірек екенін көрсетті.Ғалымдар сондай-ақ бір металды екіншісінен гөрі таңдау, бұл жағдайда алюминийдің орнына вольфрам батареяларды ұзағырақ пайдалануға болатынын көрсетті.Батареялардың осы түрлерінің өнімділігін арттыру оларды бүгінгі нарықтағы тез тұтанатын сұйық электролит батареяларын ауыстыруға бір қадам жақындатады.