Qayta zaryadlanuvchi lityum-ion batareyalar kundalik hayotimizda noutbuk va uyali telefonlardan tortib elektr avtomobillargacha bo'lgan ko'plab elektronikalarni quvvatlantirish uchun ishlatiladi. Bugungi kunda bozorda mavjud bo'lgan lityum-ion batareyalar odatda batareyaning markazida joylashgan elektrolit deb ataladigan suyuq eritmaga tayanadi.

Batareya qurilmani quvvatlantirayotganda, lityum ionlari manfiy zaryadlangan uchidan yoki anoddan suyuq elektrolit orqali musbat zaryadlangan uchiga yoki katodga o'tadi. Batareya qayta zaryadlanayotganda, ionlar katoddan teskari yo'nalishda, elektrolit orqali anodga oqib o'tadi.

Suyuq elektrolitlarga tayanadigan lityum-ion batareyalar katta xavfsizlik muammosiga ega: ular haddan tashqari zaryadlanganda yoki qisqa tutashuvda yonib ketishi mumkin. Suyuq elektrolitlarga xavfsizroq alternativa anod va katod o'rtasida lityum ionlarini tashish uchun qattiq elektrolitdan foydalanadigan batareyani yaratishdir.

Biroq, avvalgi tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, qattiq elektrolit batareya zaryad olayotgan paytda anodda to'planadigan dendritlar deb ataladigan mayda metall o'smalar paydo bo'lishiga olib keladi. Bu dendritlar batareyalarni past tokda qisqa tutashuvga olib keladi va bu ularni ishlatishga yaroqsiz holga keltiradi.

Dendritlarning o'sishi elektrolit va anod chegarasidagi elektrolitdagi kichik nuqsonlardan boshlanadi. Yaqinda Hindiston olimlari dendritlarning o'sishini sekinlashtirish usulini kashf etdilar. Elektrolit va anod orasiga yupqa metall qatlam qo'shish orqali ular dendritlarning anodga o'sishini to'xtatishi mumkin.

Olimlar bu yupqa metall qatlamni yaratish uchun alyuminiy va volframni mumkin bo'lgan metallar sifatida o'rganishni tanladilar. Buning sababi, na alyuminiy, na volfram litiy bilan qotishma yoki aralashmaydi. Olimlar bu litiyda nuqsonlar paydo bo'lish ehtimolini kamaytiradi deb hisoblashgan. Agar tanlangan metall litiy bilan qotishma qilsa, vaqt o'tishi bilan oz miqdordagi lityum metall qatlamga o'tishi mumkin. Bu litiyda bo'shliq deb ataladigan nuqsonni qoldiradi, bu yerda dendrit hosil bo'lishi mumkin.

Metall qatlamning samaradorligini sinab ko'rish uchun uch xil batareya yig'ildi: biri lityum anod va qattiq elektrolit o'rtasida yupqa alyuminiy qatlami bilan, biri yupqa volfram qatlami bilan va biri metall qatlamsiz.

Batareyalarni sinab ko'rishdan oldin, olimlar anod va elektrolit o'rtasidagi chegarani diqqat bilan ko'rib chiqish uchun skanerlovchi elektron mikroskop deb nomlangan yuqori quvvatli mikroskopdan foydalanishdi. Ular namunada metall qatlamsiz kichik bo'shliqlar va teshiklarni ko'rishdi va bu kamchiliklar dendritlar o'sishi uchun joy bo'lishi mumkinligini ta'kidlashdi. Alyuminiy va volfram qatlamli batareyalarning ikkalasi ham silliq va uzluksiz ko'rinardi.

Birinchi tajribada har bir batareyadan 24 soat davomida doimiy elektr toki o'tkazildi. Metall qatlami bo'lmagan batareya qisqa tutashuvga uchradi va dastlabki 9 soat ichida ishdan chiqdi, ehtimol bu dendrit o'sishi tufayli sodir bo'ldi. Bu dastlabki tajribada alyuminiy yoki volframli batareyalar ham ishdan chiqmadi.

Dendrit o'sishini to'xtatishda qaysi metall qatlam yaxshiroq ekanligini aniqlash uchun faqat alyuminiy va volfram qatlami namunalarida yana bir tajriba o'tkazildi. Ushbu tajribada batareyalar avvalgi tajribada ishlatilgan tokdan boshlab va har bir bosqichda oz miqdorda oshirib, tok zichligini oshirish orqali sikllashtirildi.

Batareya qisqa tutashuvga uchragan tok zichligi dendrit o'sishi uchun kritik tok zichligi deb hisoblangan. Alyuminiy qatlamli batareya boshlang'ich tokining uch baravarida, volfram qatlamli batareya esa boshlang'ich tokining besh baravaridan ortiq qismida ishdan chiqqan. Ushbu tajriba shuni ko'rsatadiki, volfram alyuminiydan yaxshiroq ishlaydi.

Olimlar yana anod va elektrolit o'rtasidagi chegarani tekshirish uchun skanerlovchi elektron mikroskopdan foydalanishdi. Ular avvalgi tajribada o'lchangan kritik tok zichligining uchdan ikki qismida metall qatlamda bo'shliqlar paydo bo'la boshlaganini ko'rishdi. Biroq, kritik tok zichligining uchdan bir qismida bo'shliqlar mavjud emas edi. Bu bo'shliqlarning paydo bo'lishi dendritlarning o'sishi bilan davom etishini tasdiqladi.

Keyin olimlar lityumning bu metallar bilan qanday o'zaro ta'sir qilishini tushunish uchun hisoblash hisob-kitoblarini amalga oshirdilar, volfram va alyuminiyning energiya va harorat o'zgarishiga qanday javob berishi haqida biz bilgan ma'lumotlardan foydalandilar. Ular alyuminiy qatlamlarida lityum bilan o'zaro ta'sirlashganda bo'shliqlar paydo bo'lish ehtimoli yuqori ekanligini ko'rsatdilar. Ushbu hisob-kitoblardan foydalanish kelajakda sinov uchun boshqa turdagi metallni tanlashni osonlashtiradi.

Ushbu tadqiqot shuni ko'rsatdiki, qattiq elektrolit batareyalari elektrolit va anod orasiga yupqa metall qatlam qo'shilganda yanada ishonchli bo'ladi. Olimlar shuningdek, bir metallni boshqasi o'rniga tanlash, bu holda alyuminiy o'rniga volframni tanlash batareyalarning yanada uzoqroq xizmat qilishini ko'rsatdilar. Ushbu turdagi batareyalarning ishlashini yaxshilash ularni bugungi kunda bozorda mavjud bo'lgan yuqori darajada yonuvchan suyuq elektrolit batareyalarini almashtirishga bir qadam yaqinlashtiradi.