Doldurula bilən litium-ion batareyaları gündəlik həyatımızda noutbuk və mobil telefonlardan tutmuş elektrik avtomobillərinə qədər bir çox elektron cihazı enerji ilə təmin etmək üçün istifadə olunur. Bu gün bazarda olan litium-ion batareyaları adətən elementin mərkəzində elektrolit adlanan maye məhlula əsaslanır.

Batareya cihazı enerji ilə təmin edərkən, litium ionları mənfi yüklənmiş ucdan və ya anoddan maye elektrolitdən keçərək müsbət yüklənmiş ucuna və ya katoda keçir. Batareya doldurulduqda, ionlar katoddan elektrolitdən keçərək anoda əks istiqamətdə axır.

Maye elektrolitlərə əsaslanan litium-ion batareyalarının əsas təhlükəsizlik problemi var: həddindən artıq doldurulduqda və ya qısaqapanma baş verdikdə alovlana bilərlər. Maye elektrolitlərə daha təhlükəsiz alternativ, anod və katod arasında litium ionlarını daşımaq üçün bərk elektrolitdən istifadə edən batareya qurmaqdır.

Lakin əvvəlki tədqiqatlar göstərir ki, bərk elektrolit batareya doldurularkən anodda dendrit adlanan kiçik metal böyümələrə səbəb olur. Bu dendritlər batareyaları aşağı cərəyanlarda qısaqapanmaya uğradaraq istifadəyə yararsız hala gətirir.

Dendrit böyüməsi elektrolit və anod arasındakı sərhəddəki elektrolitdəki kiçik qüsurlardan başlayır. Hindistandakı alimlər bu yaxınlarda dendrit böyüməsini yavaşlatmağın bir yolunu kəşf etdilər. Elektrolit və anod arasında nazik bir metal təbəqə əlavə etməklə, dendritlərin anoda böyüməsinin qarşısını ala bilərlər.

Alimlər bu nazik metal təbəqəni yaratmaq üçün mümkün metallar kimi alüminium və volframı öyrənməyi seçdilər. Bunun səbəbi nə alüminium, nə də volframın litiumla qarışdırılmaması və ya ərinti yaratmamasıdır. Alimlər bunun litiumda qüsurların əmələ gəlmə ehtimalını azaldacağına inanırdılar. Seçilmiş metal litiumla ərinti yaradarsa, zamanla az miqdarda litium metal təbəqəsinə keçə bilər. Bu, litiumda boşluq adlanan bir qüsur yaradardı və orada dendrit əmələ gələ bilərdi.

Metal təbəqənin effektivliyini sınaqdan keçirmək üçün üç növ batareya yığılmışdır: biri litium anod və bərk elektrolit arasında nazik alüminium təbəqəsi olan, biri nazik volfram təbəqəsi olan və digəri isə metal təbəqəsi olmayan batareyalar.

Batareyaları sınaqdan keçirməzdən əvvəl, alimlər anod və elektrolit arasındakı sərhədi yaxından araşdırmaq üçün skan edən elektron mikroskop adlanan yüksək güclü mikroskopdan istifadə etdilər. Onlar nümunədə metal təbəqəsi olmayan kiçik boşluqlar və dəliklər gördülər və qeyd etdilər ki, bu qüsurlar dendritlərin böyüməsi üçün yerlərdir. Həm alüminium, həm də volfram təbəqələri olan batareyalar hamar və davamlı görünürdü.

İlk təcrübədə hər bir batareyadan 24 saat ərzində sabit elektrik cərəyanı keçib. Metal təbəqəsi olmayan batareya, ehtimal ki, dendrit böyüməsi səbəbindən ilk 9 saat ərzində qısaqapanmaya uğrayıb və sıradan çıxıb. Bu ilkin təcrübədə nə alüminium, nə də volframlı batareya sıradan çıxmayıb.

Dendrit böyüməsini dayandırmaqda hansı metal təbəqəsinin daha yaxşı olduğunu müəyyən etmək üçün yalnız alüminium və volfram təbəqəsi nümunələri üzərində başqa bir təcrübə aparıldı. Bu təcrübədə batareyalar əvvəlki təcrübədə istifadə edilən cərəyandan başlayaraq və hər addımda az miqdarda artırılaraq artan cərəyan sıxlığı ilə dövriyyəyə salındı.

Batareyanın qısaqapanmasının baş verdiyi cərəyan sıxlığının dendrit böyüməsi üçün kritik cərəyan sıxlığı olduğuna inanılırdı. Alüminium təbəqəli batareya başlanğıc cərəyanının üç qatında, volfram təbəqəli batareya isə başlanğıc cərəyanının beş qatından çoxunda sıradan çıxdı. Bu təcrübə göstərir ki, volfram alüminiumdan daha yaxşı işləyir.

Alimlər anod və elektrolit arasındakı sərhədi yoxlamaq üçün yenidən skanedici elektron mikroskopundan istifadə etdilər. Onlar əvvəlki təcrübədə ölçülən kritik cərəyan sıxlığının üçdə ikisində metal təbəqədə boşluqların əmələ gəlməyə başladığını gördülər. Lakin, kritik cərəyan sıxlığının üçdə birində boşluqlar yox idi. Bu, boşluq əmələ gəlməsinin dendrit böyüməsi ilə davam etdiyini təsdiqlədi.

Daha sonra alimlər volfram və alüminiumun enerji və temperatur dəyişikliklərinə necə reaksiya verdiyi barədə bildiklərimizdən istifadə edərək litiumun bu metallarla necə qarşılıqlı təsir etdiyini anlamaq üçün hesablamalar apardılar. Onlar alüminium təbəqələrinin litiumla qarşılıqlı təsir göstərərkən boşluqların əmələ gəlmə ehtimalının həqiqətən daha yüksək olduğunu nümayiş etdirdilər. Bu hesablamalardan istifadə gələcəkdə sınaqdan keçirmək üçün başqa bir metal növünün seçilməsini asanlaşdıracaq.

Bu tədqiqat göstərib ki, bərk elektrolit batareyaları elektrolit və anod arasına nazik metal təbəqə əlavə edildikdə daha etibarlı olur. Alimlər həmçinin nümayiş etdiriblər ki, bir metalın, bu halda alüminium əvəzinə volframın seçilməsi batareyaların daha uzunömürlü olmasına səbəb ola bilər. Bu tip batareyaların performansının yaxşılaşdırılması onları bu gün bazarda olan yüksək dərəcədə alışan maye elektrolit batareyalarını əvəz etməyə bir addım daha yaxınlaşdıracaq.