Opluedbar Lithium-Ionen-Batterien gi benotzt fir vill Elektronik an eisem Alldag ze bedreiwen, vu Laptops an Handyen bis Elektroautoen. D'Lithium-Ionen-Batterien, déi haut um Maart sinn, baséieren typescherweis op enger flësseger Léisung, genannt Elektrolyt, am Zentrum vun der Zell.

Wann d'Batterie en Apparat bedreift, beweege sech Lithium-Ionen vum negativ geluedenen Enn, oder der Anod, duerch den flëssegen Elektrolyt bis zum positiv geluedenen Enn, oder der Kathod. Wann d'Batterie nei gelueden gëtt, fléissen d'Ionen an déi aner Richtung vun der Kathod, duerch den Elektrolyt bis bei d'Anod.

Lithium-Ionen-Batterien, déi op flëssege Elektrolyte vertrauen, hunn e grousst Sécherheetsproblem: si kënne Feier fänken, wa se iwwerlueden oder kuerzgeschloss ginn. Eng méi sécher Alternativ zu flëssege Elektrolyte ass et, eng Batterie ze bauen, déi e festen Elektrolyt benotzt, fir Lithium-Ionen tëscht der Anode an der Kathod ze transportéieren.

Fréier Studien hunn awer festgestallt, datt e festen Elektrolyt zu klenge metallesche Wuesstemer, genannt Dendriten, gefouert huet, déi sech op der Anode opbauen, während d'Batterie gelueden huet. Dës Dendriten kuerzschléissen d'Batterien bei niddrege Stroum, wouduerch se onbrauchbar ginn.

D'Dendritenwuesstum fänkt bei klenge Mängel am Elektrolyt op der Grenz tëscht Elektrolyt an Anod un. Wëssenschaftler an Indien hunn viru kuerzem e Wee entdeckt fir d'Dendritenwuesstum ze verlangsamen. Andeems se eng dënn metallesch Schicht tëscht Elektrolyt an Anod bäifügen, kënne si verhënneren datt Dendriten an d'Anode wuessen.

D'Wëssenschaftler hunn decidéiert, Aluminium a Wolfram als méiglech Metaller ze studéieren, fir dës dënn metallesch Schicht ze bilden. Dëst läit dorun, datt weder Aluminium nach Wolfram sech mat Lithium vermëschen oder legieréieren. D'Wëssenschaftler hunn gegleeft, datt dëst d'Wahrscheinlechkeet vu Feeler am Lithium géif reduzéieren. Wann dat gewielt Metall mat Lithium géif legéieren, kéinte kleng Quantitéiten u Lithium mat der Zäit an d'Metallschicht kommen. Dëst géif eng Zort Feeler, déi e Lach genannt gëtt, am Lithium hannerloossen, wou sech dann en Dendrit kéint bilden.

Fir d'Effizienz vun der metallescher Schicht ze testen, goufen dräi Zorte vu Batterien zesummegesat: eng mat enger dënner Aluminiumschicht tëscht der Lithiumanode an dem festen Elektrolyt, eng mat enger dënner Wolframschicht an eng ouni metallesch Schicht.

Ier d'Batterien getest goufen, hunn d'Wëssenschaftler e staarkt Mikroskop, e sougenannte Rasterelektronemikroskop, benotzt fir d'Grenz tëscht Anode an Elektrolyt genau ze kucken. Si hunn kleng Lächer an der Prouf ouni Metallschicht gesinn, a festgestallt, datt dës Mängel wahrscheinlech Plaze fir Dendriten sinn, wou se wuessen kënnen. Souwuel d'Batterien mat Aluminium- wéi och mat Wolframschichten hunn glat an onënnerbrach ausgesinn.

Am éischten Experiment gouf e konstante elektresche Stroum 24 Stonnen duerch all Batterie geleet. D'Batterie ouni Metallschicht ass bannent den éischten 9 Stonnen kuerzgeschloss a futti gaangen, wahrscheinlech wéinst Dendritwuesstum. Weder Batterie mat Aluminium nach Wolfram ass an dësem éischten Experiment futti gaangen.

Fir erauszefannen, wéi eng Metallschicht besser d'Dendritwuesstum gestoppt huet, gouf en anert Experiment just mat den Aluminium- a Wolframschichtproben duerchgefouert. An dësem Experiment goufen d'Batterien duerch ëmmer méi grouss Stroumdichten zykléiert, ugefaange mam Stroum, deen am viregten Experiment benotzt gouf, an op all Schrëtt ëm e klenge Betrag eropgaangen.

D'Stroumdicht, bei där d'Batterie kuerzgeschloss ass, gouf als déi kritesch Stroumdicht fir den Dendritwuesstum ugesinn. D'Batterie mat enger Aluminiumschicht ass bei engem dräimol sou héije Startstroum ausgefall, an d'Batterie mat enger Wolframschicht ass bei engem méi wéi fënnefmol sou héije Startstroum ausgefall. Dëst Experiment weist, datt Wolfram besser Resultater erzielt huet wéi Aluminium.

D'Wëssenschaftler hunn erëm e Rasterelektronemikroskop benotzt fir d'Grenz tëscht Anode an Elektrolyt z'ënnersichen. Si hunn festgestallt, datt sech Lächer an der Metallschicht bei zwee Drëttel vun der kritescher Stroumdicht, déi am viregten Experiment gemooss gouf, ugefaange hunn ze bilden. Wéi och ëmmer, bei engem Drëttel vun der kritescher Stroumdicht waren keng Lächer präsent. Dëst huet bestätegt, datt d'Bildung vu Lächer tatsächlech den Dendritenwuesstum virugeet.

D'Wëssenschaftler hunn duerno Berechnungen duerchgefouert fir ze verstoen, wéi Lithium mat dëse Metaller interagéiert, andeems se dat benotzt hunn, wat mir wëssen, wéi Wolfram an Aluminium op Energie- an Temperaturännerungen reagéieren. Si hunn nogewisen, datt Aluminiumschichten tatsächlech eng méi héich Wahrscheinlechkeet hunn, datt Lächer entstinn, wa se mat Lithium interagéieren. D'Benotzung vun dëse Berechnungen géif et méi einfach maachen, an Zukunft eng aner Zort Metall fir ze testen ze wielen.

Dës Studie huet gewisen, datt Festelektrolyt-Batterien méi zouverlässeg sinn, wann eng dënn Metallschicht tëscht dem Elektrolyt an der Anode bäigefüügt gëtt. D'Wëssenschaftler hunn och gewisen, datt d'Wiel vun engem Metall iwwer en aneren, an dësem Fall Wolfram amplaz vun Aluminium, d'Liewensdauer vun de Batterien nach méi laang brénge kéint. D'Verbesserung vun der Leeschtung vun dësen Zorte vu Batterien bréngt se ee Schrëtt méi no beim Ersatz vun den héichentzündleche flëssege Elektrolyt-Batterien, déi haut um Maart sinn.