Лити дээр суурилсан батарей нь маш хүчтэй бөгөөд тэсрэх аюултай. Тэдгээрийг дахин дахин цэнэглэх үед дендрит гэж нэрлэгддэг зүйл үүсэж, богино холболт үүсгэж, батарейг галд автуулна. Ulm University химич нар зарим металлууд хэрхэн, яагаад тунадасжих явцад дендрит үүсгэдэг болохыг тайлбарласан загвар зохион бүтээжээ.
Эрчим хүчний шилжилтийг эзэмшиж, цахилгаан хөдөлгөөнийг урагшлуулахын тулд дэлхий дахинд шинэ, өндөр хүчин чадалтай батарей хэрэгтэй байна. Өнөөдрийг хүртэл ялангуяа лити-ион батарейнууд ухаалаг утас, зөөврийн компьютер, цахилгаан машиныг тэжээж байна. Гэхдээ эдгээр батерейны хүчин чадал хязгаарлагдмал, ялангуяа цахилгаан эрчим хүчний хэрэгцээнд зориулагдсан. Энд байгаа асуудал бол богино холболтоос урьдчилан сэргийлэхийн тулд литийн ионуудыг бал чулуунд суулгасан явдал юм. Энэ нь батарейны эзлэхүүн, жинг нэмэгдүүлж, хүрээг нь багасгадаг. Цэвэр литийн электродтой батарей нь эрчим хүчний нягтрал ихтэй байх боловч тэдгээр нь дендрит үүсгэдэг. Эдгээр салаа нь зайг цэнэглэх үед сөрөг электрод дээр аажмаар үүсдэг. Эсрэг электрод хүрэх үед эдгээр дендритүүд шатамхай электролитуудтай харилцан үйлчилж, богино холболт үүсгэж, батарейг галд автуулдаг. Энэ үзэгдэл нь зөвхөн YouTube-ийн олон видео бичлэгийн сэдэв төдийгүй дэлхийн өнцөг булан бүрээс судлаачид үүнийг судалж байна. Гэсэн хэдий ч лити зэрэг металууд яагаад дендрит үүсгэдгийг хараахан ойлгоогүй байгаа ч зэс, мөнгө гэх мэт бусад нь үүсгэдэггүй. Бусад материалууд нь эдгээр аюултай болор бүтцийг зөвхөн маш өндөр хүчдэлд бий болгодог. Харин Ulm их сургуулийн онолын химийн хүрээлэнгийн профессор Wolfgang Schmickler, доктор Elizabeth Santos нар салбар хэлбэртэй дендрит үүсэхийг тайлбарласан загвар зохион бүтээжээ.
Ulm суперкомпьютер JUSTUS 2-ийг ашиглан судлаачид нягтын функциональ онолыг (DFBT+) цаашид хөгжүүлэхтэй холбоотой квант химийн тооцоог хийсэн. Тэдний үр дүн нь дендрит үүсэх дараах хувилбарыг санал болгож байна. Метал бүр тэг цэнэгийн цэг гэж нэрлэгддэг цэгтэй байдаг. Хэрэв метал нь тэг цэнэгийн цэгээс доогуур потенциал дээр, өөрөөр хэлбэл сөрөг цэнэгтэй электрод дээр хуримтлагдвал болор хэлбэртэй дендрит үүсдэг. “Туршилтын явцад гадаргуу дээр цухуйсан жижиг гажиг үүсдэг. Электростатикийн хуулиудын дагуу сөрөг цэнэг нь ийм бөөгнөрлүүдийн үзүүрт төвлөрч, эерэг цэнэгтэй литийн ионуудыг татдаг. Тиймээс эдгээрүүд өсөн нэмэгдэж, эцэст нь дендрит үүсгэдэг” гэж профессор Schmickler тайлбарлав. Нэмж дурдахад, судлаачид дендрит үүсэхэд хувь нэмэр оруулдаг өөр нэг үзэгдлийг харуулж чадсан ба сөрөг цэнэг нь гадаргуугийн хурцадмал байдлыг бууруулж, гадаргуу дээр цухуйсан хэсгүүд үүсэхийг дэмждэг.
Santos, Schmickler нар энэ процессыг аяга таваг угаагч бодистой харьцуулж, усанд бөмбөлөг үүсэхийг хөнгөвчилдөг. Эдгээр үр дүн нь өмнөх судалгаатай нийцэж байна. Гэсэн хэдий ч Santos, Schmickler нарын тооцоолол нь атомын түвшинд загвар зохион бүтээсэн анхных юм. Үүнийг бусад металлуудад хэрэглэж болох бөгөөд үүнтэй зэрэгцэн жишээлбэл, зэс яагаад дендритэд огт мэдрэмтгий байдаггүйг тайлбарладаг. “Зэс, мөнгө гэх мэт металлын гадаргуу нь тунадасжих явцад эерэг цэнэгтэй байдаг. Хэрэв гадаргуу дээр жижиг цухуйлт үүссэн бол эерэг цэнэг хуримтлагдана. Энэ нь эерэг цэнэгтэй металлын ионуудыг түлхэж, кластер цаашид ургаж, дендрит үүсгэх боломжгүй” гэж доктор Elizabeth Santos тайлбарлав.
Эдгээр судалгааны үр дүн нь өндөр хүчин чадалтай батарейг хөгжүүлэхэд ямар ач холбогдолтой вэ?
Шинэ загвараараа химичид яагаад зарим холбогдох материалууд дендрит үүсгэдэг бол зарим нь яагаад үүсдэггүйг харуулах боломжтой болсон. Үүнээс гадна тэд атомын түвшинд болор бүтэц үүсэх талаар тайлбар өгдөг. “Манай загвар зарчмын хувьд цэнэглэдэг батарейнд дендрит үүсэхээс хэрхэн зайлсхийх талаар урьдчилан таамаглаж байна. Гэсэн хэдий ч энэ нь зөрчилтэй шаардлагыг хангасан уусгагчийг шаарддаг. Одоогийн байдлаар бидний үр дүн онолын хувьд чухал ач холбогдолтой юм” гэж химичид онцлон тэмдэглэв. Santos, Schmickler нарыг Германы Судалгааны Сан болон Аргентины Үндэсний Шинжлэх ухаан, Техникийн Судалгааны Зөвлөл CONICET нар судалгааны ажилд нь дэмжлэг үзүүлсэн.
