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, nazvanu elektrolit, u središtu ćelije.

Kada baterija napaja uređaj, litijevi ioni se kreću od negativno nabijenog kraja, odnosno anode, kroz tekući elektrolit do pozitivno nabijenog kraja, odnosno katode. Kada se baterija puni, ioni teku u suprotnom 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 kratko spoje. 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 čvrsti elektrolit dovodi do malih metalnih izraslina, nazvanih dendriti, koji se nakupljaju na anodi tijekom punjenja baterije. Ti dendriti uzrokuju kratki spoj baterija pri niskim strujama, čineći ih neupotrebljivima.

Rast dendrita započinje 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 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, niti legiraju, s litijem. Znanstvenici su vjerovali da bi to smanjilo vjerojatnost stvaranja pukotina u litiju. Ako bi se odabrani metal legirao s litijem, male količine litija mogle bi se s vremenom pomaknuti u metalni sloj. To bi ostavilo vrstu pukotine nazvane praznina u litiju gdje bi se tada mogao formirati dendrit.

Kako bi se testirala učinkovitost metalnog sloja, sastavljene su tri vrste baterija: jedna s tankim slojem aluminija između litijeve anode i krutog 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 pomno proučili granicu između anode i elektrolita. Vidjeli su male praznine i rupe u uzorku bez metalnog sloja, napominjući da su te pukotine vjerojatno mjesta za rast dendrita. I baterije s aluminijskim i volframovim slojevima izgledale su glatko i kontinuirano.

U prvom eksperimentu, konstantna električna struja ciklički je propuštana kroz svaku bateriju tijekom 24 sata. Baterija bez metalnog sloja doživjela je kratki spoj i otkazala unutar prvih 9 sati, vjerojatno zbog rasta dendrita. Niti jedna baterija s aluminijem niti s volframom nije otkazala u ovom početnom eksperimentu.

Kako bi se utvrdilo koji metalni sloj bolje zaustavlja rast dendrita, proveden je još jedan eksperiment samo na uzorcima aluminijskog i volframovog sloja. U ovom eksperimentu, baterije su ciklički propuštane kroz rastuće gustoće struje, počevši od struje korištene u prethodnom eksperimentu i povećavajući se za malu količinu u svakom koraku.

Vjerovalo se da je gustoća struje pri kojoj je došlo do kratkog spoja baterije kritična gustoća struje za rast dendrita. Baterija sa slojem aluminija otkazala je pri tri puta većoj početnoj struji, a baterija sa slojem volframa otkazala je pri više od pet puta većoj početnoj struji. Ovaj eksperiment pokazuje da je volfram bio bolji od aluminija.

Znanstvenici su ponovno koristili skenirajući elektronski mikroskop kako bi pregledali granicu između anode i elektrolita. Vidjeli su da su se šupljine počele stvarati u metalnom sloju pri dvije trećine kritične gustoće struje izmjerene u prethodnom eksperimentu. Međutim, šupljine nisu bile prisutne pri jednoj trećini kritične gustoće struje. To je potvrdilo da stvaranje šupljina doista potiče rast dendrita.

Znanstvenici su zatim proveli računalne izračune kako bi razumjeli kako litij reagira 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 pri interakciji s litijem. Korištenje ovih izračuna olakšalo bi odabir druge vrste metala za testiranje u budućnosti.

Ova studija pokazala je da su baterije s krutim elektrolitom pouzdanije kada se između elektrolita i anode doda tanki metalni sloj. Znanstvenici su također pokazali da odabir jednog metala umjesto drugog, u ovom slučaju volframa umjesto aluminija, može produžiti vijek trajanja baterija. Poboljšanje performansi ovih vrsta baterija približit će ih zamjeni lako zapaljivih baterija s tekućim elektrolitom koje su danas na tržištu.