Bateriile reîncărcabile litiu-ion sunt folosite pentru a alimenta multe produse electronice din viața noastră de zi cu zi, de la laptopuri și telefoane mobile până la mașini electrice.Bateriile litiu-ion de pe piață se bazează în mod obișnuit pe o soluție lichidă, numită electrolit, aflată în centrul celulei.

Când bateria alimentează un dispozitiv, ionii de litiu se deplasează de la capătul încărcat negativ, sau anodul, prin electrolitul lichid, la capătul încărcat pozitiv sau catod.Când bateria este reîncărcată, ionii curg în cealaltă direcție de la catod, prin electrolit, la anod.

Bateriile litiu-ion care se bazează pe electroliți lichizi au o problemă majoră de siguranță: pot lua foc atunci când sunt supraîncărcate sau scurtcircuitate.O alternativă mai sigură la electroliții lichizi este construirea unei baterii care utilizează un electrolit solid pentru a transporta ionii de litiu între anod și catod.

Cu toate acestea, studiile anterioare au descoperit că un electrolit solid a dus la mici creșteri metalice, numite dendrite, care s-ar acumula pe anod în timp ce bateria se încarcă.Aceste dendrite scurtcircuita bateriile la curenți scăzuti, făcându-le inutilizabile.

Creșterea dendritei începe la mici defecte ale electrolitului la limita dintre electrolit și anod.Oamenii de știință din India au descoperit recent o modalitate de a încetini creșterea dendritelor.Prin adăugarea unui strat subțire metalic între electrolit și anod, acestea pot împiedica creșterea dendritelor în anod.

Oamenii de știință au ales să studieze aluminiul și tungstenul ca metale posibile pentru a construi acest strat subțire metalic.Acest lucru se datorează faptului că nici aluminiul, nici tungstenul nu se amestecă, sau aliaj, cu litiul.Oamenii de știință au crezut că acest lucru ar reduce probabilitatea formării defectelor în litiu.Dacă metalul ales s-a aliat cu litiu, cantități mici de litiu s-ar putea muta în stratul de metal în timp.Acest lucru ar lăsa un tip de defect numit gol în litiu, unde s-ar putea forma apoi o dendrită.

Pentru a testa eficacitatea stratului metalic, au fost asamblate trei tipuri de baterii: una cu un strat subțire de aluminiu între anodul de litiu și electrolitul solid, una cu un strat subțire de wolfram și una fără strat metalic.

Înainte de a testa bateriile, oamenii de știință au folosit un microscop de mare putere, numit microscop electronic cu scanare, pentru a privi îndeaproape granița dintre anod și electrolit.Ei au văzut mici goluri și găuri în probă fără strat metalic, observând că aceste defecte sunt locuri probabile pentru creșterea dendritelor.Ambele baterii cu straturi de aluminiu și tungsten păreau netede și continue.

În primul experiment, un curent electric constant a fost ciclat prin fiecare baterie timp de 24 de ore.Bateria fără strat metalic a scurtcircuitat și s-a defectat în primele 9 ore, probabil din cauza creșterii dendritelor.Nici bateria cu aluminiu sau tungsten nu a eșuat în acest experiment inițial.

Pentru a determina care strat de metal a fost mai bun la oprirea creșterii dendritei, a fost efectuat un alt experiment doar pe mostrele de strat de aluminiu și tungsten.În acest experiment, bateriile au fost ciclate prin creșterea densităților de curent, pornind de la curentul utilizat în experimentul anterior și crescând cu o cantitate mică la fiecare pas.

Se credea că densitatea de curent la care bateria a scurtcircuitat este densitatea critică de curent pentru creșterea dendritei.Bateria cu strat de aluminiu s-a defectat la de trei ori curentul de pornire, iar bateria cu strat de wolfram a defectat la peste cinci ori curentul de pornire.Acest experiment arată că tungstenul a depășit aluminiul.

Din nou, oamenii de știință au folosit un microscop electronic cu scanare pentru a inspecta granița dintre anod și electrolit.Ei au văzut că au început să se formeze goluri în stratul de metal la două treimi din densitățile critice de curent măsurate în experimentul anterior.Cu toate acestea, goluri nu au fost prezente la o treime din densitatea critică de curent.Acest lucru a confirmat că formarea golurilor continuă cu creșterea dendritei.

Oamenii de știință au efectuat apoi calcule computaționale pentru a înțelege modul în care litiul interacționează cu aceste metale, folosind ceea ce știm despre modul în care wolfram și aluminiul răspund la schimbările de energie și temperatură.Ei au demonstrat că straturile de aluminiu au într-adevăr o probabilitate mai mare de apariție a golurilor atunci când interacționează cu litiul.Utilizarea acestor calcule ar facilita alegerea unui alt tip de metal de testat în viitor.

Acest studiu a arătat că bateriile cu electrolit solid sunt mai fiabile atunci când se adaugă un strat subțire metalic între electrolit și anod.Oamenii de știință au demonstrat, de asemenea, că alegerea unui metal în locul altuia, în acest caz wolfram în loc de aluminiu, ar putea face bateriile să dureze și mai mult.Îmbunătățirea performanței acestor tipuri de baterii le va aduce cu un pas mai aproape de înlocuirea bateriilor cu electrolit lichid foarte inflamabil de pe piață astăzi.