Oplaadbare lithium-ionbatterijen worden gebruikt om veel elektronica in ons dagelijks leven van stroom te voorzien, van laptops en mobiele telefoons tot elektrische auto's.De lithiumionbatterijen die tegenwoordig op de markt zijn, zijn doorgaans afhankelijk van een vloeibare oplossing, een zogenaamde elektrolyt, in het midden van de cel.

Wanneer de batterij een apparaat van stroom voorziet, bewegen lithiumionen van het negatief geladen uiteinde, of anode, via de vloeibare elektrolyt naar het positief geladen uiteinde, of kathode.Wanneer de batterij wordt opgeladen, stromen de ionen in de andere richting van de kathode, via de elektrolyt, naar de anode.

Lithium-ionbatterijen die afhankelijk zijn van vloeibare elektrolyten hebben een groot veiligheidsprobleem: ze kunnen in brand vliegen als ze te veel worden opgeladen of kortgesloten.Een veiliger alternatief voor vloeibare elektrolyten is het bouwen van een batterij die een vaste elektrolyt gebruikt om lithiumionen tussen de anode en kathode te transporteren.

Uit eerdere onderzoeken is echter gebleken dat een vaste elektrolyt leidde tot kleine metaalachtige gezwellen, dendrieten genoemd, die zich op de anode zouden ophopen terwijl de batterij aan het opladen was.Deze dendrieten kortsluiten de batterijen bij lage stroomsterkte, waardoor ze onbruikbaar worden.

Dendrietgroei begint bij kleine gebreken in de elektrolyt op de grens tussen elektrolyt en anode.Wetenschappers in India hebben onlangs een manier ontdekt om de groei van dendrieten te vertragen.Door een dunne metaallaag tussen elektrolyt en anode aan te brengen, kunnen ze voorkomen dat dendrieten in de anode groeien.

De wetenschappers kozen ervoor om aluminium en wolfraam als mogelijke metalen te bestuderen om deze dunne metaallaag te bouwen.Dit komt omdat noch aluminium, noch wolfraam zich vermengen met lithium.De wetenschappers geloofden dat dit de kans op fouten in het lithium zou verkleinen.Als het gekozen metaal met lithium zou legeren, zouden er na verloop van tijd kleine hoeveelheden lithium in de metaallaag terecht kunnen komen.Hierdoor zou er een soort fout in het lithium achterblijven, een zogenaamde leegte, waar zich dan een dendriet zou kunnen vormen.

Om de effectiviteit van de metaallaag te testen, werden drie soorten batterijen samengesteld: één met een dunne laag aluminium tussen de lithiumanode en de vaste elektrolyt, één met een dunne laag wolfraam en één zonder metaallaag.

Voordat ze de batterijen testten, gebruikten de wetenschappers een krachtige microscoop, een zogenaamde scanning-elektronenmicroscoop, om de grens tussen anode en elektrolyt nauwkeurig te bekijken.Ze zagen kleine gaten en gaten in het monster zonder metaallaag, en merkten op dat deze gebreken waarschijnlijk plekken zijn waar dendrieten kunnen groeien.Zowel de batterijen met aluminium- als wolfraamlagen zagen er glad en continu uit.

In het eerste experiment werd gedurende 24 uur een constante elektrische stroom door elke batterij geleid.De batterij zonder metaallaag maakte kortsluiting en viel binnen de eerste 9 uur uit, waarschijnlijk als gevolg van dendrietgroei.Geen van beide batterijen met aluminium of wolfraam faalde in dit eerste experiment.

Om te bepalen welke metaallaag beter was in het stoppen van de dendrietgroei, werd een ander experiment uitgevoerd op alleen de monsters van de aluminium- en wolfraamlaag.In dit experiment werden de batterijen door steeds grotere stroomdichtheden heen geleid, beginnend bij de stroomsterkte die in het vorige experiment werd gebruikt en bij elke stap met een kleine hoeveelheid toenemen.

Aangenomen werd dat de stroomdichtheid waarbij de batterij kortsluiting maakte de kritische stroomdichtheid was voor dendrietgroei.De accu met een aluminiumlaag viel uit bij drie keer de startstroom, en de accu met een wolfraamlaag viel uit bij ruim vijf keer de startstroom.Dit experiment laat zien dat wolfraam beter presteerde dan aluminium.

Opnieuw gebruikten de wetenschappers een scanning-elektronenmicroscoop om de grens tussen anode en elektrolyt te inspecteren.Ze zagen dat er holten in de metaallaag begonnen te ontstaan ​​bij tweederde van de kritische stroomdichtheden gemeten in het vorige experiment.Bij een derde van de kritische stroomdichtheid waren er echter geen holtes aanwezig.Dit bevestigde dat de vorming van holtes de dendrietgroei bevordert.

De wetenschappers voerden vervolgens computationele berekeningen uit om te begrijpen hoe lithium interageert met deze metalen, waarbij ze gebruik maakten van wat we weten over hoe wolfraam en aluminium reageren op energie- en temperatuurveranderingen.Ze toonden aan dat aluminiumlagen inderdaad een grotere kans hebben op de ontwikkeling van holtes bij interactie met lithium.Met behulp van deze berekeningen zou het gemakkelijker worden om een ​​ander type metaal te kiezen om in de toekomst te testen.

Dit onderzoek heeft aangetoond dat vaste-elektrolytbatterijen betrouwbaarder zijn als er een dunne metaallaag tussen elektrolyt en anode wordt toegevoegd.De wetenschappers toonden ook aan dat het kiezen van het ene metaal boven het andere, in dit geval wolfraam in plaats van aluminium, ervoor zou kunnen zorgen dat batterijen nog langer meegaan.Door de prestaties van dit soort batterijen te verbeteren, komen ze een stap dichter bij de vervanging van de licht ontvlambare vloeibare elektrolytbatterijen die momenteel op de markt zijn.