充電式リチウムイオン電池は、ラップトップや携帯電話から電気自動車に至るまで、日常生活の多くの電子機器に電力を供給するために使用されています。現在市場にあるリチウムイオン電池は通常、セルの中心にある電解質と呼ばれる液体溶液に依存しています。

バッテリーがデバイスに電力を供給しているとき、リチウムイオンは、負に帯電した端、つまりアノードから液体電解質を通って、正に帯電した端、つまりカソードに移動します。バッテリーが再充電されているとき、イオンはカソードから電解質を通ってアノードへと反対方向に流れます。

液体電解質に依存するリチウムイオン電池には、安全性に大きな問題があります。過充電またはショートすると発火する可能性があります。液体電解質のより安全な代替手段は、固体電解質を使用してアノードとカソードの間にリチウムイオンを運ぶ電池を構築することです。

しかし、これまでの研究では、固体電解質により樹枝状結晶と呼ばれる小さな金属の成長が生じ、電池の充電中にそれがアノードに蓄積することが判明しています。これらの樹状突起は低電流でバッテリーを短絡させ、バッテリーを使用できなくします。

デンドライトの成長は、電解液とアノードの境界にある電解液の小さな傷から始まります。インドの科学者たちは最近、樹状突起の成長を遅らせる方法を発見しました。電解質とアノードの間に薄い金属層を追加することで、アノードへの樹枝状結晶の成長を防ぐことができます。

科学者らは、この薄い金属層を構築する可能性のある金属としてアルミニウムとタングステンを研究することを選択しました。これは、アルミニウムもタングステンもリチウムと混合または合金しないためです。科学者たちは、これによりリチウムに欠陥が形成される可能性が低下すると考えました。選択した金属がリチウムと合金化した場合、時間の経過とともに少量のリチウムが金属層に移動する可能性があります。これにより、リチウム内にボイドと呼ばれる一種の欠陥が残り、そこでデンドライトが形成される可能性があります。

金属層の有効性をテストするために、3 種類の電池を組み立てました。1 つはリチウム アノードと固体電解質の間にアルミニウムの薄層があるもの、1 つはタングステンの薄層があるもの、もう 1 つは金属層がないものです。

電池をテストする前に、科学者たちは走査型電子顕微鏡と呼ばれる高性能の顕微鏡を使用して、アノードと電解液の境界を詳しく観察しました。彼らは、サンプル中に金属層のない小さな隙間や穴を確認し、これらの欠陥が樹枝状結晶が成長する場所である可能性があることに注目しました。アルミニウム層とタングステン層を備えたバッテリーは両方とも、滑らかで継続的に動作しているように見えました。

最初の実験では、各バッテリーに定電流を 24 時間繰り返し流しました。金属層のないバッテリーは、おそらく樹枝状結晶の成長が原因で、最初の 9 時間以内にショートして故障しました。この最初の実験では、アルミニウムとタングステンを使用した電池はどちらも故障しませんでした。

どの金属層がデンドライトの成長を阻止するのに優れているかを判断するために、アルミニウム層とタングステン層のサンプルのみに対して別の実験を実行しました。この実験では、前の実験で使用した電流から開始し、各ステップで少量ずつ増加しながら、電流密度を増加させながらバッテリーをサイクルさせました。

バッテリーが短絡した電流密度は、樹枝状結晶成長の臨界電流密度であると考えられていました。アルミニウム層を備えたバッテリーは始動電流の 3 倍で故障し、タングステン層を備えたバッテリーは始動電流の 5 倍を超えて故障しました。この実験は、タングステンがアルミニウムよりも優れていることを示しています。

ここでも科学者たちは走査型電子顕微鏡を使用して、アノードと電解質の間の境界を検査しました。彼らは、前の実験で測定された臨界電流密度の 3 分の 2 で金属層にボイドが形成され始めることを確認しました。しかしながら、臨界電流密度の３分の１ではボイドは存在しなかった。これにより、空隙の形成が樹枝状結晶の成長を確実に進行させることが確認されました。

次に科学者らは、タングステンとアルミニウムがエネルギーと温度の変化にどのように反応するかについての既知の情報を利用して、リチウムがこれらの金属とどのように相互作用するかを理解するためにコンピューター計算を実行しました。彼らは、アルミニウム層がリチウムと相互作用するとボイドが発生する可能性が実際に高いことを実証しました。これらの計算を使用すると、将来テストする別の種類の金属を選択することが容易になります。

この研究は、電解質とアノードの間に薄い金属層を追加すると、固体電解質電池の信頼性が向上することを示しました。科学者らはまた、ある金属を別の金属よりも選択することで、この場合はアルミニウムの代わりにタングステンを選択すると、電池がさらに長持ちする可能性があることを実証しました。この種の電池の性能を向上させることで、現在市場に出ている引火性の高い電解液電池の代替に一歩近づくことになります。