Akumulatory litowo-jonowe służą do zasilania wielu urządzeń elektronicznych używanych na co dzień, od laptopów i telefonów komórkowych po samochody elektryczne.Baterie litowo-jonowe dostępne obecnie na rynku zazwyczaj wykorzystują płynny roztwór, zwany elektrolitem, znajdujący się w środku ogniwa.

Kiedy bateria zasila urządzenie, jony litu przemieszczają się od ujemnie naładowanego końca, czyli anody, przez ciekły elektrolit do dodatnio naładowanego końca, czyli katody.Podczas ładowania akumulatora jony przepływają w przeciwnym kierunku od katody, przez elektrolit, do anody.

Baterie litowo-jonowe oparte na ciekłych elektrolitach mają poważny problem z bezpieczeństwem: mogą zapalić się w przypadku przeładowania lub zwarcia.Bezpieczniejszą alternatywą dla elektrolitów ciekłych jest zbudowanie akumulatora wykorzystującego elektrolit stały do ​​przenoszenia jonów litu między anodą a katodą.

Jednak poprzednie badania wykazały, że stały elektrolit powoduje powstawanie małych metalicznych narośli, zwanych dendrytami, które odkładają się na anodzie podczas ładowania akumulatora.Te dendryty powodują zwarcie akumulatorów przy niskim prądzie, czyniąc je bezużytecznymi.

Wzrost dendrytów rozpoczyna się od małych wad w elektrolicie na granicy elektrolitu i anody.Naukowcy z Indii odkryli niedawno sposób na spowolnienie wzrostu dendrytów.Dodając cienką metaliczną warstwę pomiędzy elektrolitem a anodą, mogą zapobiec wrastaniu dendrytów w anodę.

Naukowcy postanowili zbadać aluminium i wolfram jako możliwe metale do zbudowania tej cienkiej metalicznej warstwy.Dzieje się tak dlatego, że ani aluminium, ani wolfram nie są mieszanką lub stopem z litem.Naukowcy wierzyli, że zmniejszy to prawdopodobieństwo powstawania wad w litu.Jeśli wybrany metal stanowi stop z litem, z czasem niewielkie ilości litu mogą przedostać się do warstwy metalu.Spowodowałoby to pozostawienie w litie rodzaju wady zwanej pustką, w której mógłby następnie utworzyć się dendryt.

Aby przetestować skuteczność warstwy metalicznej, zmontowano trzy typy akumulatorów: jeden z cienką warstwą aluminium pomiędzy anodą litową a elektrolitem stałym, drugi z cienką warstwą wolframu i jeden bez warstwy metalicznej.

Przed przetestowaniem akumulatorów naukowcy wykorzystali mikroskop o dużej mocy, zwany skaningowym mikroskopem elektronowym, aby dokładnie przyjrzeć się granicy między anodą a elektrolitem.Zaobserwowali małe szczeliny i dziury w próbce bez warstwy metalicznej i zauważyli, że te wady są prawdopodobnie miejscami wzrostu dendrytów.Obydwa akumulatory z warstwami aluminium i wolframu wyglądały na gładkie i ciągłe.

W pierwszym eksperymencie przez każdą baterię przepływał stały prąd elektryczny przez 24 godziny.Bateria bez warstwy metalicznej uległa zwarciu i uległa awarii w ciągu pierwszych 9 godzin, prawdopodobnie z powodu wzrostu dendrytów.Ani akumulator z aluminium, ani z wolframem nie zawiódł w tym początkowym eksperymencie.

Aby określić, która warstwa metalu lepiej powstrzymuje wzrost dendrytów, przeprowadzono kolejny eksperyment na próbkach warstw aluminium i wolframu.W tym eksperymencie akumulatory poddawano cyklom zwiększania gęstości prądu, zaczynając od prądu użytego w poprzednim eksperymencie i stopniowo zwiększając go z każdym krokiem.

Uważa się, że gęstość prądu, przy której doszło do zwarcia w akumulatorze, jest krytyczną gęstością prądu dla wzrostu dendrytów.Akumulator z warstwą aluminiową uległ awarii przy trzykrotnie większym prądzie rozruchowym, a akumulator z warstwą wolframu uległ awarii przy ponad pięciokrotnie większym prądzie rozruchowym.Ten eksperyment pokazuje, że wolfram radzi sobie lepiej z aluminium.

Ponownie naukowcy wykorzystali skaningowy mikroskop elektronowy do sprawdzenia granicy między anodą a elektrolitem.Zaobserwowali, że w warstwie metalu zaczęły tworzyć się puste przestrzenie przy dwóch trzecich krytycznych gęstości prądu zmierzonych w poprzednim eksperymencie.Jednakże puste przestrzenie nie występowały przy jednej trzeciej krytycznej gęstości prądu.Potwierdziło to, że powstawanie pustych przestrzeni faktycznie powoduje wzrost dendrytów.

Następnie naukowcy przeprowadzili obliczenia obliczeniowe, aby zrozumieć interakcję litu z tymi metalami, wykorzystując wiedzę na temat reakcji wolframu i aluminium na zmiany energii i temperatury.Wykazali, że w warstwach aluminium rzeczywiście występuje większe prawdopodobieństwo powstawania pustych przestrzeni podczas interakcji z litem.Korzystanie z tych obliczeń ułatwiłoby wybór innego rodzaju metalu do przetestowania w przyszłości.

Badanie to wykazało, że akumulatory ze stałym elektrolitem są bardziej niezawodne, gdy pomiędzy elektrolitem a anodą zostanie dodana cienka metaliczna warstwa.Naukowcy wykazali również, że wybór jednego metalu, w tym przypadku wolframu zamiast aluminium, może wydłużyć żywotność akumulatorów.Poprawa wydajności tego typu akumulatorów przybliży je o krok do zastąpienia dostępnych obecnie na rynku wysoce łatwopalnych akumulatorów z ciekłym elektrolitem.