Қайта зарядталатын литий-ионды батареялар күнделікті өмірімізде ноутбуктар мен ұялы телефондардан бастап электр көліктеріне дейінгі көптеген электрониканы қуаттандыру үшін қолданылады. Бүгінгі таңда нарықтағы литий-ионды батареялар әдетте ұяшықтың ортасында орналасқан электролит деп аталатын сұйық ерітіндіге негізделген.

Батарея құрылғыны қуаттандырған кезде, литий иондары теріс зарядталған ұштан немесе анодтан сұйық электролит арқылы оң зарядталған ұшқа немесе катодқа ауысады. Батарея қайта зарядталып жатқанда, иондар катодтан электролит арқылы анодқа кері бағытта ағады.

Сұйық электролиттерге негізделген литий-ионды батареялардың қауіпсіздік мәселесі үлкен: олар шамадан тыс зарядталғанда немесе қысқа тұйықталу кезінде жанып кетуі мүмкін. Сұйық электролиттерге қауіпсіз балама - анод пен катод арасында литий иондарын тасымалдау үшін қатты электролитті пайдаланатын батарея жасау.

Дегенмен, бұрынғы зерттеулер қатты электролит батарея зарядталып жатқанда анодта жиналатын дендриттер деп аталатын ұсақ металл өсінділерінің пайда болуына әкелетінін анықтады. Бұл дендриттер батареяларды төмен ток кезінде қысқа тұйықтайды, бұл оларды пайдалануға жарамсыз етеді.

Дендриттердің өсуі электролит пен анод шекарасындағы электролиттегі кішкентай ақаулардан басталады. Үндістан ғалымдары жақында дендриттердің өсуін баяулатудың жолын тапты. Электролит пен анод арасына жұқа металл қабатын қосу арқылы олар дендриттердің анодқа өсуіне жол бермейді.

Ғалымдар бұл жұқа металл қабатын құру үшін алюминий мен вольфрамды мүмкін металдар ретінде зерттеуді таңдады. Себебі алюминий де, вольфрам да литиймен қоспайды немесе қорытпа жасамайды. Ғалымдар бұл литийде ақаулардың пайда болу ықтималдығын төмендетеді деп сенді. Егер таңдалған металл литиймен қорытпа жасаса, уақыт өте келе аз мөлшерде литий металл қабатына өтуі мүмкін. Бұл литийде дендрит пайда болуы мүмкін бос орын деп аталатын ақау түрін қалдырады.

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

Батареяларды сынақтан өткізбес бұрын, ғалымдар анод пен электролит арасындағы шекараны мұқият қарау үшін сканерлейтін электронды микроскоп деп аталатын жоғары қуатты микроскопты пайдаланды. Олар үлгіде металл қабаты жоқ кішкентай саңылаулар мен тесіктерді көрді, бұл кемшіліктер дендриттердің өсуіне қолайлы орындар екенін атап өтті. Алюминий және вольфрам қабаттары бар батареялардың екеуі де тегіс және үздіксіз көрінді.

Бірінші тәжірибеде әрбір батарея арқылы 24 сағат бойы тұрақты электр тогы өткізілді. Металл қабаты жоқ батарея алғашқы 9 сағат ішінде қысқа тұйықталып, істен шықты, бұл дендриттің өсуіне байланысты болуы мүмкін. Бұл алғашқы тәжірибеде алюминий немесе вольфрам қосылған батареялардың ешқайсысы істен шыққан жоқ.

Дендриттердің өсуін тоқтатуда қай металл қабаты жақсы екенін анықтау үшін тек алюминий мен вольфрам қабатының үлгілерінде тағы бір тәжірибе жүргізілді. Бұл тәжірибеде батареялар алдыңғы тәжірибеде қолданылған токтан бастап және әр қадамда аздап арттыра отырып, ток тығыздығын арттыру арқылы циклдік түрде жұмыс істеді.

Батареяның қысқа тұйықталуы кезіндегі ток тығыздығы дендриттің өсуі үшін маңызды ток тығыздығы болып саналады. Алюминий қабаты бар батарея іске қосу тогынан үш есе артық, ал вольфрам қабаты бар батарея іске қосу тогынан бес есе артық артық жұмыс істеген. Бұл тәжірибе вольфрамның алюминийден асып түскенін көрсетеді.

Ғалымдар анод пен электролит арасындағы шекараны тексеру үшін сканерлеуші ​​электронды микроскопты тағы да пайдаланды. Олар алдыңғы экспериментте өлшенген ток тығыздығының үштен екі бөлігінде металл қабатында бос орындар пайда бола бастағанын көрді. Дегенмен, ток тығыздығының үштен бір бөлігінде бос орындар болған жоқ. Бұл бос орындардың пайда болуы дендриттің өсуімен жалғасатынын растады.

Содан кейін ғалымдар вольфрам мен алюминийдің энергия мен температураның өзгеруіне қалай әсер ететіні туралы білетінімізді пайдаланып, литийдің осы металдармен қалай әрекеттесетінін түсіну үшін есептеу есептеулерін жүргізді. Олар алюминий қабаттарында литиймен әрекеттескен кезде қуыстардың пайда болу ықтималдығы жоғары екенін көрсетті. Бұл есептеулерді пайдалану болашақта сынау үшін басқа металл түрін таңдауды жеңілдетеді.

Бұл зерттеу электролит пен анод арасына жұқа металл қабаты қосылған кезде қатты электролит батареяларының сенімдірек болатынын көрсетті. Ғалымдар сонымен қатар бір металды екіншісінің орнына таңдау, бұл жағдайда алюминийдің орнына вольфрамды таңдау батареялардың қызмет ету мерзімін одан да ұзаққа ұзарта алатынын көрсетті. Бұл батарея түрлерінің өнімділігін арттыру оларды бүгінгі нарықтағы жоғары тұтанатын сұйық электролит батареяларын ауыстыруға бір қадам жақындатады.