Перезаряжаемые литий-ионные батареи используются для питания многих электронных устройств в нашей повседневной жизни, от ноутбуков и мобильных телефонов до электромобилей. Представленные сегодня на рынке литий-ионные батареи, как правило, используют жидкий раствор, называемый электролитом, в центре элемента.

Когда батарея питает устройство, ионы лития движутся от отрицательно заряженного конца, или анода, через жидкий электролит к положительно заряженному концу, или катоду. При перезарядке батареи ионы движутся в обратном направлении, от катода, через электролит, к аноду.

Литий-ионные батареи, использующие жидкие электролиты, имеют серьезную проблему безопасности: они могут загореться при перезарядке или коротком замыкании. Более безопасной альтернативой жидким электролитам является создание батареи, использующей твердый электролит для переноса ионов лития между анодом и катодом.

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

Рост дендритов начинается с небольших дефектов в электролите на границе между электролитом и анодом. Недавно индийские ученые открыли способ замедлить рост дендритов. Добавив тонкий металлический слой между электролитом и анодом, они могут предотвратить рост дендритов в сторону анода.

Ученые решили изучить алюминий и вольфрам в качестве возможных металлов для создания этого тонкого металлического слоя. Это связано с тем, что ни алюминий, ни вольфрам не смешиваются и не образуют сплавов с литием. Ученые полагали, что это снизит вероятность образования дефектов в литии. Если бы выбранный металл образовывал сплав с литием, небольшие количества лития могли бы со временем перемещаться в металлический слой. Это привело бы к образованию дефекта, называемого пустотой, в литии, где затем мог бы образоваться дендрит.

Для проверки эффективности 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.

Перед тестированием батарей ученые использовали мощный микроскоп, называемый сканирующим электронным микроскопом, чтобы внимательно изучить границу между анодом и электролитом. Они обнаружили небольшие зазоры и отверстия в образце без металлического слоя, отметив, что эти дефекты, вероятно, являются местами для роста дендритов. Батареи как с алюминиевым, так и с вольфрамовым слоем выглядели гладкими и непрерывными.

В первом эксперименте через каждую батарею в течение 24 часов пропускали постоянный электрический ток. Батарея без металлического слоя закоротила и вышла из строя в течение первых 9 часов, вероятно, из-за роста дендритов. В этом первоначальном эксперименте не вышли из строя ни одна из батарей, содержащих алюминий или вольфрам.

Для определения того, какой металлический слой лучше препятствует росту дендритов, был проведен еще один эксперимент только с образцами алюминиевого и вольфрамового слоев. В этом эксперименте батареи циклически подвергались воздействию возрастающих плотностей тока, начиная с тока, использованного в предыдущем эксперименте, и увеличивая его на небольшую величину на каждом этапе.

Считалось, что плотность тока, при которой происходило короткое замыкание батареи, является критической плотностью тока для роста дендритов. Батарея со слоем алюминия вышла из строя при токе, в три раза превышающем пусковой, а батарея со слоем вольфрама — при токе, более чем в пять раз превышающем пусковой. Этот эксперимент показывает, что вольфрам показал лучшие результаты, чем алюминий.

Ученые снова использовали сканирующий электронный микроскоп для исследования границы между анодом и электролитом. Они обнаружили, что пустоты начинают образовываться в металлическом слое при двух третях критической плотности тока, измеренной в предыдущем эксперименте. Однако при одной трети критической плотности тока пустоты отсутствовали. Это подтвердило, что образование пустот действительно предшествует росту дендритов.

Затем ученые провели вычислительные расчеты, чтобы понять, как литий взаимодействует с этими металлами, используя знания о том, как вольфрам и алюминий реагируют на изменения энергии и температуры. Они продемонстрировали, что в слоях алюминия действительно выше вероятность образования пустот при взаимодействии с литием. Использование этих расчетов упростит выбор другого типа металла для тестирования в будущем.

Данное исследование показало, что батареи с твердым электролитом более надежны, если между электролитом и анодом добавлен тонкий металлический слой. Ученые также продемонстрировали, что выбор одного металла вместо другого, в данном случае вольфрама вместо алюминия, может еще больше увеличить срок службы батарей. Улучшение характеристик таких батарей приблизит их на шаг к замене легковоспламеняющихся батарей с жидким электролитом, представленных сегодня на рынке.