Литий-ионные аккумуляторы используются для питания многих электронных устройств в нашей повседневной жизни: от ноутбуков и мобильных телефонов до электромобилей.Литий-ионные аккумуляторы, представленные сегодня на рынке, обычно основаны на жидком растворе, называемом электролитом, в центре ячейки.

Когда батарея питает устройство, ионы лития перемещаются от отрицательно заряженного конца или анода через жидкий электролит к положительно заряженному концу или катоду.Когда аккумулятор перезаряжается, ионы движутся в другом направлении: от катода через электролит к аноду.

Литий-ионные аккумуляторы, работающие на жидких электролитах, имеют серьезную проблему с безопасностью: они могут загореться при перезарядке или коротком замыкании.Более безопасной альтернативой жидким электролитам является создание батареи, в которой для переноса ионов лития между анодом и катодом используется твердый электролит.

Однако предыдущие исследования показали, что твердый электролит приводит к образованию небольших металлических наростов, называемых дендритами, которые накапливаются на аноде во время зарядки аккумулятора.Эти дендриты вызывают короткое замыкание батарей при малых токах, что делает их непригодными для использования.

Рост дендритов начинается с небольших дефектов электролита на границе между электролитом и анодом.Ученые из Индии недавно нашли способ замедлить рост дендритов.Добавляя тонкий металлический слой между электролитом и анодом, они могут остановить врастание дендритов в анод.

Ученые решили изучить алюминий и вольфрам как возможные металлы для создания этого тонкого металлического слоя.Это связано с тем, что ни алюминий, ни вольфрам не смешиваются и не сплавляются с литием.Ученые полагали, что это снизит вероятность образования дефектов в литии.Если выбранный металл сплавлялся с литием, небольшие количества лития со временем могли переместиться в металлический слой.Это оставит в литии дефект, называемый пустотой, где затем может образоваться дендрит.

Чтобы проверить эффективность металлического слоя, были собраны три типа батарей: одна с тонким слоем алюминия между литиевым анодом и твердым электролитом, одна с тонким слоем вольфрама и одна без металлического слоя.

Прежде чем тестировать батареи, ученые использовали мощный микроскоп, называемый сканирующим электронным микроскопом, чтобы внимательно изучить границу между анодом и электролитом.Они увидели небольшие зазоры и отверстия в образце без металлического слоя, отметив, что эти дефекты, вероятно, являются местами для роста дендритов.Обе батареи со слоями алюминия и вольфрама выглядели гладкими и сплошными.

В первом эксперименте через каждую батарею пропускали постоянный электрический ток в течение 24 часов.Аккумулятор без металлического слоя закоротил и вышел из строя в течение первых 9 часов, вероятно, из-за роста дендритов.Ни одна батарея из алюминия или вольфрама не подвела в этом первоначальном эксперименте.

Чтобы определить, какой металлический слой лучше останавливает рост дендритов, был проведен еще один эксперимент только с образцами слоев алюминия и вольфрама.В этом эксперименте батареи подвергались циклическому увеличению плотности тока, начиная с тока, использованного в предыдущем эксперименте, и увеличиваясь на небольшую величину на каждом этапе.

Считалось, что плотность тока, при которой происходит короткое замыкание батареи, является критической плотностью тока для роста дендритов.Батарея с алюминиевым слоем вышла из строя при трехкратном пусковом токе, а батарея с вольфрамовым слоем вышла из строя при более чем пятикратном пусковом токе.Этот эксперимент показывает, что вольфрам превзошел алюминий.

И снова ученые использовали сканирующий электронный микроскоп, чтобы проверить границу между анодом и электролитом.Они увидели, что пустоты начали образовываться в слое металла при двух третях критической плотности тока, измеренной в предыдущем эксперименте.Однако при плотности критического тока пустот не было.Это подтвердило, что образование пустот действительно сопровождается ростом дендритов.

Затем ученые провели вычислительные расчеты, чтобы понять, как литий взаимодействует с этими металлами, используя то, что мы знаем о том, как вольфрам и алюминий реагируют на изменения энергии и температуры.Они продемонстрировали, что слои алюминия действительно имеют более высокую вероятность образования пустот при взаимодействии с литием.Использование этих расчетов облегчит выбор другого типа металла для испытаний в будущем.

Это исследование показало, что твердоэлектролитные батареи более надежны, когда между электролитом и анодом добавляется тонкий металлический слой.Ученые также продемонстрировали, что выбор одного металла вместо другого (в данном случае вольфрама вместо алюминия) может продлить срок службы батарей.Улучшение характеристик этих типов батарей приблизит их на один шаг к замене легковоспламеняющихся батарей с жидким электролитом, представленных сегодня на рынке.