Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία πολλών ηλεκτρονικών συσκευών στην καθημερινότητά μας, από φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα έως ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που κυκλοφορούν σήμερα στην αγορά συνήθως βασίζονται σε ένα υγρό διάλυμα, που ονομάζεται ηλεκτρολύτης, στο κέντρο του στοιχείου.

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

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που βασίζονται σε υγρούς ηλεκτρολύτες αντιμετωπίζουν ένα σημαντικό πρόβλημα ασφάλειας: μπορούν να πιάσουν φωτιά σε περίπτωση υπερφόρτισης ή βραχυκυκλώματος. Μια ασφαλέστερη εναλλακτική λύση σε σχέση με 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 διαπιστώσει ότι ένας στερεός ηλεκτρολύτης οδήγησε σε μικρές μεταλλικές αναπτύξεις, που ονομάζονται δενδρίτες, οι οποίες συσσωρεύονταν στην άνοδο κατά τη φόρτιση της μπαταρίας. Αυτοί οι δενδρίτες βραχυκυκλώνουν τις μπαταρίες σε χαμηλά ρεύματα, καθιστώντας τες άχρηστες.

Η ανάπτυξη δενδριτών ξεκινά από μικρά ελαττώματα στον ηλεκτρολύτη στα όρια μεταξύ ηλεκτρολύτη και ανόδου. Επιστήμονες στην Ινδία ανακάλυψαν πρόσφατα έναν τρόπο επιβράδυνσης της ανάπτυξης δενδριτών. Προσθέτοντας ένα λεπτό μεταλλικό στρώμα μεταξύ ηλεκτρολύτη και ανόδου, μπορούν να εμποδίσουν την ανάπτυξη δενδριτών στην άνοδο.

Οι επιστήμονες επέλεξαν να μελετήσουν το αλουμίνιο και το βολφράμιο ως πιθανά μέταλλα για να κατασκευάσουν αυτό το λεπτό μεταλλικό στρώμα. Αυτό συμβαίνει επειδή ούτε το αλουμίνιο ούτε το βολφράμιο αναμειγνύονται, ούτε δημιουργούν κράμα, με το λίθιο. Οι επιστήμονες πίστευαν ότι αυτό θα μείωνε την πιθανότητα σχηματισμού ελαττωμάτων στο λίθιο. Εάν το μέταλλο που επιλέχθηκε δημιουργούσε 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 στη συνέχεια να σχηματιστεί ένας δενδρίτης.

Για να ελεγχθεί η αποτελεσματικότητα του μεταλλικού στρώματος, συναρμολογήθηκαν τρεις τύποι μπαταριών: μία με λεπτό στρώμα αλουμινίου μεταξύ της ανόδου λιθίου και του στερεού ηλεκτρολύτη, μία με 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 τα όρια 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 φαίνονταν ομαλές και συνεχείς.

Στο πρώτο πείραμα, ένα σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα διήλθε από κάθε μπαταρία για 24 ώρες. Η μπαταρία χωρίς μεταλλικό στρώμα βραχυκυκλώθηκε και αστοχούσε εντός των πρώτων 9 ωρών, πιθανώς λόγω ανάπτυξης δενδριτών. Καμία από τις μπαταρίες με αλουμίνιο ή βολφράμιο δεν αστοχούσε σε αυτό το αρχικό πείραμα.

Προκειμένου να προσδιοριστεί ποιο μεταλλικό στρώμα ήταν καλύτερο στην αναστολή της ανάπτυξης δενδριτών, πραγματοποιήθηκε ένα άλλο πείραμα μόνο σε δείγματα στρώσεων αλουμινίου και βολφραμίου. Σε αυτό το πείραμα, οι μπαταρίες υποβλήθηκαν σε κυκλική ...

Η πυκνότητα ρεύματος στην οποία βραχυκυκλώθηκε η μπαταρία θεωρούνταν η κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος για την ανάπτυξη δενδριτών. Η μπαταρία με στρώμα αλουμινίου παρουσίασε βλάβη σε τριπλάσιο ρεύμα εκκίνησης, ενώ η μπαταρία με στρώμα βολφραμίου παρουσίασε βλάβη σε πενταπλάσιο ρεύμα εκκίνησης. Αυτό το πείραμα δείχνει ότι το βολφράμιο είχε καλύτερη απόδοση από το αλουμίνιο.

Και πάλι, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης για να εξετάσουν τα όρια 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, δεν υπήρχαν κενά στο ένα τρίτο της κρίσιμης πυκνότητας ρεύματος. Αυτό επιβεβαίωσε ότι ο σχηματισμός κενών όντως προηγείται της ανάπτυξης των δενδριτών.

Στη συνέχεια, οι επιστήμονες πραγματοποίησαν υπολογιστικούς υπολογισμούς για να κατανοήσουν πώς αλληλεπιδρά το λίθιο με αυτά τα μέταλλα, χρησιμοποιώντας ό,τι γνωρίζουμε για το πώς το βολφράμιο και το αλουμίνιο αντιδρούν στις μεταβολές της ενέργειας και της θερμοκρασίας. Απέδειξαν ότι τα στρώματα αλουμινίου έχουν πράγματι μεγαλύτερη πιθανότητα εμφάνισης κενών όταν αλληλεπιδρούν με το λίθιο. Η χρήση αυτών των υπολογισμών θα διευκόλυνε την επιλογή ενός 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 του ηλεκτρολύτη και της ανόδου. Οι επιστήμονες απέδειξαν επίσης ότι η επιλογή ενός μετάλλου έναντι ενός άλλου, στην προκειμένη περίπτωση βολφραμίου αντί αλουμινίου, θα μπορούσε να κάνει τις μπαταρίες να διαρκούν ακόμη περισσότερο. Η βελτίωση της απόδοσης αυτών των τύπων μπαταριών θα τις φέρει ένα βήμα πιο κοντά στην αντικατάσταση των μπαταριών υγρού ηλεκτρολύτη υψηλής ευφλεκτότητας που κυκλοφορούν σήμερα στην αγορά.