Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία πολλών ηλεκτρονικών συσκευών στην καθημερινή μας ζωή, από φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα μέχρι ηλεκτρικά αυτοκίνητα.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου στην αγορά σήμερα βασίζονται συνήθως σε ένα υγρό διάλυμα, που ονομάζεται ηλεκτρολύτης, στο κέντρο της κυψέλης.

Όταν η μπαταρία τροφοδοτεί μια συσκευή, τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από το αρνητικά φορτισμένο άκρο ή την άνοδο, μέσω του υγρού ηλεκτρολύτη, στο θετικά φορτισμένο άκρο ή στην κάθοδο.Όταν η μπαταρία επαναφορτίζεται, τα ιόντα ρέουν προς την άλλη κατεύθυνση από την κάθοδο, μέσω του ηλεκτρολύτη, προς την άνοδο.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που βασίζονται σε υγρούς ηλεκτρολύτες έχουν ένα σημαντικό ζήτημα ασφάλειας: μπορούν να πάρουν φωτιά όταν υπερφορτιστούν ή βραχυκυκλωθούν.Μια ασφαλέστερη εναλλακτική λύση για τους υγρούς ηλεκτρολύτες είναι η κατασκευή μιας μπαταρίας που χρησιμοποιεί έναν στερεό ηλεκτρολύτη για τη μεταφορά ιόντων λιθίου μεταξύ της ανόδου και της καθόδου.

Ωστόσο, προηγούμενες μελέτες έχουν βρει ότι ένας στερεός ηλεκτρολύτης οδήγησε σε μικρές μεταλλικές αναπτύξεις, που ονομάζονται δενδρίτες, που θα συσσωρεύονταν στην άνοδο ενώ η μπαταρία φορτιζόταν.Αυτοί οι δενδρίτες βραχυκυκλώνουν τις μπαταρίες σε χαμηλά ρεύματα, με αποτέλεσμα να μην μπορούν να χρησιμοποιηθούν.

Η ανάπτυξη δενδρίτη ξεκινά με μικρές ατέλειες στον ηλεκτρολύτη στο όριο μεταξύ ηλεκτρολύτη και ανόδου.Επιστήμονες στην Ινδία ανακάλυψαν πρόσφατα έναν τρόπο για να επιβραδύνουν την ανάπτυξη των δενδριτών.Προσθέτοντας ένα λεπτό μεταλλικό στρώμα μεταξύ ηλεκτρολύτη και ανόδου, μπορούν να σταματήσουν την ανάπτυξη δενδριτών στην άνοδο.

Οι επιστήμονες επέλεξαν να μελετήσουν το αλουμίνιο και το βολφράμιο ως πιθανά μέταλλα για να φτιάξουν αυτό το λεπτό μεταλλικό στρώμα.Αυτό συμβαίνει επειδή ούτε αλουμίνιο ούτε βολφράμιο αναμειγνύονται, ούτε κράμα, με λίθιο.Οι επιστήμονες πίστευαν ότι αυτό θα μείωνε την πιθανότητα δημιουργίας ελαττωμάτων στο λίθιο.Εάν το μέταλλο που επιλέχθηκε έγινε κράμα με λίθιο, μικρές ποσότητες λιθίου θα μπορούσαν να μετακινηθούν στο μεταλλικό στρώμα με την πάροδο του χρόνου.Αυτό θα άφηνε ένα είδος ελαττώματος που ονομάζεται κενό στο λίθιο όπου θα μπορούσε να σχηματιστεί ένας δενδρίτης.

Προκειμένου να δοκιμαστεί η αποτελεσματικότητα του μεταλλικού στρώματος, συναρμολογήθηκαν τρεις τύποι μπαταριών: μία με λεπτό στρώμα αλουμινίου μεταξύ της ανόδου λιθίου και του στερεού ηλεκτρολύτη, μία με ένα λεπτό στρώμα βολφραμίου και μία χωρίς μεταλλικό στρώμα.

Πριν από τη δοκιμή των μπαταριών, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα μικροσκόπιο υψηλής ισχύος, που ονομάζεται ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, για να εξετάσουν προσεκτικά το όριο μεταξύ ανόδου και ηλεκτρολύτη.Είδαν μικρά κενά και τρύπες στο δείγμα χωρίς μεταλλικό στρώμα, σημειώνοντας ότι αυτά τα ελαττώματα είναι πιθανά σημεία για την ανάπτυξη δενδριτών.Και οι δύο μπαταρίες με στρώματα αλουμινίου και βολφραμίου φαίνονται λείες και συνεχείς.

Στο πρώτο πείραμα, ένα σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα κυκλοφόρησε σε κάθε μπαταρία για 24 ώρες.Η μπαταρία χωρίς μεταλλικό στρώμα βραχυκύκλωσε και απέτυχε μέσα στις πρώτες 9 ώρες, πιθανότατα λόγω ανάπτυξης δενδρίτη.Καμία μπαταρία με αλουμίνιο ή βολφράμιο δεν απέτυχε σε αυτό το αρχικό πείραμα.

Προκειμένου να προσδιοριστεί ποιο μεταλλικό στρώμα ήταν καλύτερο στο να σταματήσει την ανάπτυξη δενδρίτη, ένα άλλο πείραμα πραγματοποιήθηκε μόνο στα δείγματα του στρώματος αλουμινίου και βολφραμίου.Σε αυτό το πείραμα, οι μπαταρίες κυκλοφόρησαν μέσω της αύξησης της πυκνότητας ρεύματος, ξεκινώντας από το ρεύμα που χρησιμοποιήθηκε στο προηγούμενο πείραμα και αυξάνοντας κατά μια μικρή ποσότητα σε κάθε βήμα.

Η πυκνότητα ρεύματος στην οποία βραχυκύκλωσε η μπαταρία πιστεύεται ότι είναι η κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος για την ανάπτυξη δενδρίτη.Η μπαταρία με στρώμα αλουμινίου απέτυχε με τρεις φορές το ρεύμα εκκίνησης και η μπαταρία με στρώμα βολφραμίου απέτυχε σε πάνω από πέντε φορές το ρεύμα εκκίνησης.Αυτό το πείραμα δείχνει ότι το βολφράμιο ξεπέρασε τις επιδόσεις του αλουμινίου.

Και πάλι, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης για να επιθεωρήσουν το όριο μεταξύ ανόδου και ηλεκτρολύτη.Είδαν ότι άρχισαν να σχηματίζονται κενά στο μεταλλικό στρώμα στα δύο τρίτα των κρίσιμων πυκνοτήτων ρεύματος που μετρήθηκαν στο προηγούμενο πείραμα.Ωστόσο, τα κενά δεν υπήρχαν στο ένα τρίτο της κρίσιμης πυκνότητας ρεύματος.Αυτό επιβεβαίωσε ότι ο σχηματισμός κενών προχωρά στην ανάπτυξη δενδρίτη.

Στη συνέχεια, οι επιστήμονες έκαναν υπολογισμούς για να κατανοήσουν πώς αλληλεπιδρά το λίθιο με αυτά τα μέταλλα, χρησιμοποιώντας όσα γνωρίζουμε για το πώς το βολφράμιο και το αλουμίνιο ανταποκρίνονται στις αλλαγές ενέργειας και θερμοκρασίας.Έδειξαν ότι τα στρώματα αλουμινίου έχουν πράγματι μεγαλύτερη πιθανότητα δημιουργίας κενών όταν αλληλεπιδρούν με το λίθιο.Η χρήση αυτών των υπολογισμών θα διευκόλυνε την επιλογή άλλου τύπου μετάλλου για δοκιμή στο μέλλον.

Αυτή η μελέτη έδειξε ότι οι μπαταρίες στερεού ηλεκτρολύτη είναι πιο αξιόπιστες όταν προστίθεται ένα λεπτό μεταλλικό στρώμα μεταξύ ηλεκτρολύτη και ανόδου.Οι επιστήμονες απέδειξαν επίσης ότι η επιλογή ενός μετάλλου έναντι ενός άλλου, σε αυτήν την περίπτωση βολφραμίου αντί για αλουμίνιο, θα μπορούσε να κάνει τις μπαταρίες να διαρκέσουν ακόμη περισσότερο.Η βελτίωση της απόδοσης αυτών των τύπων μπαταριών θα τους φέρει ένα βήμα πιο κοντά στην αντικατάσταση των πολύ εύφλεκτων μπαταριών υγρού ηλεκτρολύτη στην αγορά σήμερα.