Herlaaibare litiumioonbatterye word gebruik om baie elektronika in ons daaglikse lewens aan te dryf, van skootrekenaars en selfone tot elektriese motors. Die litiumioonbatterye wat vandag op die mark is, maak gewoonlik staat op 'n vloeibare oplossing, genaamd 'n elektroliet, in die middel van die sel.

Wanneer die battery 'n toestel aandryf, beweeg litiumione van die negatief gelaaide kant, of anode, deur die vloeibare elektroliet na die positief gelaaide kant, of katode. Wanneer die battery herlaai word, vloei die ione in die ander rigting van die katode, deur die elektroliet, na die anode.

Litiumioonbatterye wat op vloeibare elektroliete staatmaak, het 'n groot veiligheidsprobleem: hulle kan aan die brand slaan wanneer hulle oorlaai of kortgesluit word. 'n Veiliger alternatief vir vloeibare elektroliete is om 'n battery te bou wat 'n vaste elektroliet gebruik om litiumione tussen die anode en katode te dra.

Vorige studies het egter bevind dat 'n vaste elektroliet tot klein metaalgroeisels, genaamd dendriete, gelei het wat op die anode sou opbou terwyl die battery laai. Hierdie dendriete kortsluit die batterye by lae strome, wat hulle onbruikbaar maak.

Dendrietgroei begin by klein foute in die elektroliet by die grens tussen die elektroliet en die anode. Wetenskaplikes in Indië het onlangs 'n manier ontdek om dendrietgroei te vertraag. Deur 'n dun metaallaag tussen die elektroliet en die anode by te voeg, kan hulle keer dat dendriete in die anode ingroei.

Die wetenskaplikes het gekies om aluminium en wolfram as moontlike metale te bestudeer om hierdie dun metaallaag te bou. Dit is omdat nóg aluminium nóg wolfram met litium meng, of legering, nie. Die wetenskaplikes het geglo dat dit die waarskynlikheid van foute in die litium sou verminder. As die gekose metaal wel met litium legering, kan klein hoeveelhede litium mettertyd in die metaallaag inbeweeg. Dit sal 'n tipe fout, genaamd 'n leemte, in die litium laat waar 'n dendriet dan kan vorm.

Om die doeltreffendheid van die metaallaag te toets, is drie tipes batterye saamgestel: een met 'n dun lagie aluminium tussen die litiumanode en die vaste elektroliet, een met 'n dun lagie wolfram, en een sonder 'n metaallaag.

Voordat die batterye getoets is, het die wetenskaplikes 'n kragtige mikroskoop, genaamd 'n skandeerelektronmikroskoop, gebruik om die grens tussen anode en elektroliet noukeurig te ondersoek. Hulle het klein gapings en gaatjies in die monster gesien sonder 'n metaallaag, en opgemerk dat hierdie foute waarskynlik plekke is waar dendriete kan groei. Beide die batterye met aluminium- en wolframlae het glad en deurlopend gelyk.

In die eerste eksperiment is 'n konstante elektriese stroom vir 24 uur deur elke battery gesirkuleer. Die battery sonder 'n metaallaag het binne die eerste 9 uur kortgesluit en gefaal, waarskynlik as gevolg van dendrietgroei. Nie een van die batterye met aluminium of wolfram het in hierdie aanvanklike eksperiment gefaal nie.

Om te bepaal watter metaallaag beter was om dendrietgroei te stop, is 'n ander eksperiment uitgevoer op slegs die aluminium- en wolframlaagmonsters. In hierdie eksperiment is die batterye deur toenemende stroomdigthede gesirkuleer, beginnende by die stroom wat in die vorige eksperiment gebruik is en met 'n klein hoeveelheid by elke stap toegeneem.

Daar is geglo dat die stroomdigtheid waarby die battery kortgesluit het, die kritieke stroomdigtheid vir dendrietgroei was. Die battery met 'n aluminiumlaag het by drie keer die aanvangsstroom gefaal, en die battery met 'n wolframlaag het by meer as vyf keer die aanvangsstroom gefaal. Hierdie eksperiment toon dat wolfram beter presteer het as aluminium.

Weereens het die wetenskaplikes 'n skandeerelektronmikroskoop gebruik om die grens tussen anode en elektroliet te inspekteer. Hulle het gesien dat leemtes in die metaallaag begin vorm het by twee derdes van die kritieke stroomdigthede wat in die vorige eksperiment gemeet is. Leemtes was egter nie teenwoordig by een derde van die kritieke stroomdigtheid nie. Dit het bevestig dat leemtevorming wel dendrietgroei bevorder.

Die wetenskaplikes het toe berekeninge uitgevoer om te verstaan ​​hoe litium met hierdie metale in wisselwerking tree, deur gebruik te maak van wat ons weet oor hoe wolfram en aluminium op energie- en temperatuurveranderinge reageer. Hulle het gedemonstreer dat aluminiumlae inderdaad 'n hoër waarskynlikheid het vir die ontwikkeling van leemtes wanneer hulle met litium in wisselwerking tree. Deur hierdie berekeninge te gebruik, sal dit makliker wees om in die toekoms 'n ander tipe metaal te kies om te toets.

Hierdie studie het getoon dat vaste-elektrolietbatterye meer betroubaar is wanneer 'n dun metaallaag tussen die elektroliet en anode bygevoeg word. Die wetenskaplikes het ook gedemonstreer dat die keuse van een metaal bo 'n ander, in hierdie geval wolfram in plaas van aluminium, batterye selfs langer kan laat hou. Die verbetering van die werkverrigting van hierdie tipe batterye sal hulle een stap nader bring aan die vervanging van die hoogs vlambare vloeibare elektrolietbatterye wat vandag op die mark is.