Punjive litij-ionske baterije koriste se za napajanje mnogih elektroničkih uređaja u našem svakodnevnom životu, od prijenosnih računala i mobitela do električnih automobila.Litij-ionske baterije na današnjem tržištu obično se oslanjaju na tekuću otopinu, zvanu elektrolit, u središtu ćelije.

Kada baterija napaja uređaj, litijevi ioni kreću se od negativno nabijenog kraja ili anode kroz tekući elektrolit do pozitivno nabijenog kraja ili katode.Kada se baterija ponovno puni, ioni teku u drugom smjeru od katode, kroz elektrolit, do anode.

Litij-ionske baterije koje se oslanjaju na tekuće elektrolite imaju veliki sigurnosni problem: mogu se zapaliti kada se prepune ili u kratkom spoju.Sigurnija alternativa tekućim elektrolitima je izrada baterije koja koristi čvrsti elektrolit za prijenos litijevih iona između anode i katode.

Međutim, prethodne studije su otkrile da je čvrsti elektrolit doveo do malih metalnih izraslina, zvanih dendriti, koji bi se nakupili na anodi dok se baterija punila.Ovi dendriti kratko spajaju baterije pri niskim strujama, čineći ih neupotrebljivima.

Rast dendrita počinje na malim pukotinama u elektrolitu na granici između elektrolita i anode.Znanstvenici u Indiji nedavno su otkrili način usporavanja rasta dendrita.Dodavanjem tankog metalnog sloja između elektrolita i anode, oni mogu spriječiti rast dendrita u anodu.

Znanstvenici su odlučili proučavati aluminij i volfram kao moguće metale za izgradnju ovog tankog metalnog sloja.To je zato što se ni aluminij ni volfram ne miješaju ili ne legiraju s litijem.Znanstvenici su vjerovali da će to smanjiti vjerojatnost stvaranja nedostataka u litiju.Ako je odabrani metal legirao s litijem, male količine litija mogle bi se tijekom vremena premjestiti u metalni sloj.To bi ostavilo vrstu pukotine koja se naziva praznina u litiju gdje bi se potom mogao formirati dendrit.

Kako bi se ispitala učinkovitost metalnog sloja, sastavljene su tri vrste baterija: jedna s tankim slojem aluminija između litijeve anode i čvrstog elektrolita, jedna s tankim slojem volframa i jedna bez metalnog sloja.

Prije testiranja baterija, znanstvenici su koristili mikroskop velike snage, nazvan skenirajući elektronski mikroskop, kako bi izbliza pogledali granicu između anode i elektrolita.Vidjeli su male praznine i rupe u uzorku bez metalnog sloja, primijetivši da su ti nedostaci vjerojatno mjesta za rast dendrita.I baterije sa slojevima aluminija i volframa izgledale su glatko i kontinuirano.

U prvom pokusu konstantna električna struja prolazila je kroz svaku bateriju 24 sata.Baterija bez metalnog sloja kratko je spojena i otkazala unutar prvih 9 sati, vjerojatno zbog rasta dendrita.Niti jedna baterija s aluminijem ili volframom nije uspjela u ovom početnom eksperimentu.

Kako bi se utvrdilo koji je metalni sloj bio bolji u zaustavljanju rasta dendrita, još jedan eksperiment je izveden samo na uzorcima slojeva aluminija i volframa.U ovom eksperimentu, baterije su kružile kroz sve veće gustoće struje, počevši od struje korištene u prethodnom eksperimentu i povećavajući se za malu količinu u svakom koraku.

Vjeruje se da je gustoća struje pri kojoj je baterija kratko spojena kritična gustoća struje za rast dendrita.Baterija s aluminijskim slojem otkazala je pri tri puta većoj startnoj struji, a baterija s volframovim slojem otkazala je pri pet puta većoj startnoj struji.Ovaj eksperiment pokazuje da je volfram bolji od aluminija.

Ponovno su znanstvenici upotrijebili skenirajući elektronski mikroskop kako bi pregledali granicu između anode i elektrolita.Vidjeli su da su se šupljine počele stvarati u metalnom sloju na dvije trećine kritične gustoće struje izmjerene u prethodnom eksperimentu.Međutim, praznine nisu bile prisutne na jednoj trećini kritične gustoće struje.Ovo je potvrdilo da stvaranje šupljina nastavlja rast dendrita.

Znanstvenici su zatim proveli računalne izračune kako bi shvatili kako litij stupa u interakciju s tim metalima, koristeći ono što znamo o tome kako volfram i aluminij reagiraju na promjene energije i temperature.Pokazali su da aluminijski slojevi doista imaju veću vjerojatnost za razvoj šupljina u interakciji s litijem.Korištenje ovih izračuna olakšalo bi odabir druge vrste metala za testiranje u budućnosti.

Ova je studija pokazala da su baterije s čvrstim elektrolitom pouzdanije kada se između elektrolita i anode doda tanki metalni sloj.Znanstvenici su također pokazali da odabirom jednog metala umjesto drugog, u ovom slučaju volframa umjesto aluminija, baterije mogu trajati još duže.Poboljšanje performansi ovih vrsta baterija dovest će ih korak bliže zamjeni visoko zapaljivih baterija s tekućim elektrolitom na današnjem tržištu.