Polnilne litij-ionske baterije se uporabljajo za napajanje številnih elektronskih naprav v našem vsakdanjem življenju, od prenosnikov in mobilnih telefonov do električnih avtomobilov. Litij-ionske baterije, ki so danes na trgu, običajno uporabljajo tekočo raztopino, imenovano elektrolit, v središču celice.

Ko baterija napaja napravo, se litijevi ioni premikajo od negativno nabitega konca oziroma anode skozi tekoči elektrolit do pozitivno nabitega konca oziroma katode. Ko se baterija polni, ioni tečejo v nasprotni smeri od katode, skozi elektrolit, do anode.

Litij-ionske baterije, ki se zanašajo na tekoče elektrolite, imajo veliko varnostno težavo: pri prenapolnjenosti ali kratkem stiku se lahko vnamejo. Varnejša alternativa tekočim elektrolitom je izdelava baterije, ki uporablja trdni elektrolit za prenos litijevih ionov med anodo in katodo.

Vendar pa so prejšnje študije pokazale, da trdni elektrolit vodi do majhnih kovinskih izrastkov, imenovanih dendriti, ki se med polnjenjem baterije nabirajo na anodi. Ti dendriti pri nizkih tokovih povzročijo kratek stik v baterijah, zaradi česar so neuporabne.

Rast dendritov se začne pri majhnih razpokah v elektrolitu na meji med elektrolitom in anodo. Znanstveniki v Indiji so nedavno odkrili način za upočasnitev rasti dendritov. Z dodajanjem tanke kovinske plasti med elektrolit in anodo lahko preprečijo rast dendritov v anodo.

Znanstveniki so se odločili, da bodo kot možni kovini za izgradnjo te tanke kovinske plasti preučevali aluminij in volfram. To pa zato, ker se niti aluminij niti volfram ne mešata oziroma ne zlitina z litijem. Znanstveniki so verjeli, da bi to zmanjšalo verjetnost nastanka napak v litiju. Če bi se izbrana kovina zlila z litijem, bi se lahko majhne količine litija sčasoma premaknile v kovinsko plast. To bi v litiju pustilo vrsto napake, imenovane praznina, kjer bi se nato lahko oblikoval dendrit.

Da bi preizkusili učinkovitost kovinske plasti, so sestavili tri vrste baterij: eno s tanko plastjo aluminija med litijevo anodo in trdnim elektrolitom, eno s tanko plastjo volframa in eno brez kovinske plasti.

Pred testiranjem baterij so znanstveniki uporabili močan mikroskop, imenovan vrstični elektronski mikroskop, da bi natančno preučili mejo med anodo in elektrolitom. V vzorcu brez kovinske plasti so opazili majhne reže in luknje, pri čemer so ugotovili, da so te razpoke verjetno mesta za rast dendritov. Baterije z aluminijasto in volframovo plastjo so bile videti gladke in neprekinjene.

V prvem poskusu je bil skozi vsako baterijo 24 ur ciklično sprožen konstanten električni tok. Baterija brez kovinske plasti je v prvih 9 urah povzročila kratek stik in odpovedala, verjetno zaradi rasti dendritov. V tem začetnem poskusu ni odpovedala niti baterija z aluminijem niti volframom.

Da bi ugotovili, katera kovinska plast je bila boljša pri zaustavljanju rasti dendritov, je bil izveden še en poskus samo na vzorcih aluminijeve in volframove plasti. V tem poskusu so baterije ciklično spreminjale gostoto toka, začenši s tokom, uporabljenim v prejšnjem poskusu, in ga v vsakem koraku za majhno povečevale.

Gostota toka, pri kateri je prišlo do kratkega stika v bateriji, naj bi bila kritična gostota toka za rast dendritov. Baterija z aluminijasto plastjo je odpovedala pri trikratnem zagonskem toku, baterija z volframovo plastjo pa pri več kot petkratnem zagonskem toku. Ta poskus kaže, da je volfram prekašal aluminij.

Znanstveniki so ponovno uporabili vrstični elektronski mikroskop za pregled meje med anodo in elektrolitom. Opazili so, da so se v kovinski plasti začele tvoriti praznine pri dveh tretjinah kritičnih gostot toka, izmerjenih v prejšnjem poskusu. Vendar pa praznine niso bile prisotne pri eni tretjini kritične gostote toka. To je potrdilo, da nastanek praznin dejansko sledi rasti dendritov.

Znanstveniki so nato izvedli računalniške izračune, da bi razumeli, kako litij interagira s temi kovinami, pri čemer so uporabili naše znanje o tem, kako se volfram in aluminij odzivata na spremembe energije in temperature. Dokazali so, da imajo aluminijeve plasti dejansko večjo verjetnost za nastanek praznin pri interakciji z litijem. Uporaba teh izračunov bi olajšala izbiro druge vrste kovine za testiranje v prihodnosti.

Ta študija je pokazala, da so baterije s trdnim elektrolitom zanesljivejše, če je med elektrolitom in anodo dodana tanka kovinska plast. Znanstveniki so tudi dokazali, da lahko izbira ene kovine namesto druge, v tem primeru volframa namesto aluminija, podaljša življenjsko dobo baterij. Izboljšanje delovanja teh vrst baterij jih bo približalo zamenjavi lahko vnetljivih baterij s tekočim elektrolitom, ki so danes na trgu.