Litij-ionske baterije za ponovno polnjenje se uporabljajo za napajanje številnih elektronskih naprav v našem vsakdanjem življenju, od prenosnikov in mobilnih telefonov do električnih avtomobilov.Litij-ionske baterije na današnjem trgu običajno temeljijo na tekoči raztopini, imenovani elektrolit, v središču celice.

Ko baterija napaja napravo, se litijevi ioni premikajo od negativno nabitega konca ali anode skozi tekoči elektrolit do pozitivno nabitega konca ali katode.Ko se baterija ponovno polni, ioni tečejo v drugo smer od katode, skozi elektrolit, do anode.

Litij-ionske baterije, ki se zanašajo na tekoče elektrolite, imajo velik varnostni problem: lahko se vnamejo, če so preveč napolnjene ali pride do kratkega stika.Varnejša alternativa tekočim elektrolitom je izdelava baterije, ki uporablja trden elektrolit za prenašanje litijevih ionov med anodo in katodo.

Vendar so prejšnje študije pokazale, da je trdni elektrolit povzročil majhne kovinske izrastke, imenovane dendriti, ki so se nabirali na anodi, medtem ko se je baterija polnila.Ti dendriti povzročijo kratek stik baterij pri nizkih tokovih, zaradi česar so neuporabne.

Rast dendrita se začne pri majhnih napakah 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 preučiti aluminij in volfram kot možni kovini za izdelavo te tanke kovinske plasti.To je zato, ker niti aluminij niti volfram nista mešanica ali zlitina z litijem.Znanstveniki so verjeli, da bo to zmanjšalo verjetnost nastanka napak v litiju.Če bi izbrana kovina legirala z litijem, bi se lahko majhne količine litija sčasoma premaknile v kovinsko plast.To bi v litiju pustilo vrsto napake, imenovano praznina, kjer bi lahko nato nastal 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.

Preden so testirali baterije, so znanstveniki uporabili zmogljiv mikroskop, imenovan vrstični elektronski mikroskop, da bi natančno pogledali mejo med anodo in elektrolitom.Videli so majhne vrzeli in luknje v vzorcu brez kovinske plasti, pri čemer so opazili, da so te napake verjetno mesta za rast dendritov.Obe bateriji z aluminijasto in volframovo plastjo sta bili videti gladki in neprekinjeni.

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

Da bi ugotovili, katera kovinska plast je boljša pri zaustavitvi rasti dendritov, je bil izveden še en poskus samo na vzorcih plasti aluminija in volframa.V tem poskusu so bile baterije ciklično krožene skozi naraščajoče gostote toka, začenši s tokom, ki je bil uporabljen v prejšnjem poskusu, in se je v vsakem koraku povečalo za majhno količino.

Verjamemo, da je gostota toka, pri kateri je prišlo do kratkega stika v bateriji, kritična gostota toka za rast dendrita.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 boljši od aluminija.

Spet so znanstveniki uporabili vrstični elektronski mikroskop, da bi pregledali mejo med anodo in elektrolitom.Videli so, da so se v kovinski plasti začele tvoriti praznine pri dveh tretjinah kritične gostote toka, izmerjenih v prejšnjem poskusu.Vendar pa praznine niso bile prisotne pri tretjini kritične gostote toka.To je potrdilo, da tvorba praznin nadaljuje rast dendritov.

Znanstveniki so nato izvedli računalniške izračune, da bi razumeli, kako litij sodeluje s temi kovinami, pri čemer so uporabili tisto, kar vemo o tem, kako se volfram in aluminij odzivata na spremembe energije in temperature.Dokazali so, da imajo aluminijaste plasti resnično 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 bolj zanesljive, če je med elektrolit in anodo dodana tanka kovinska plast.Znanstveniki so tudi dokazali, da bi lahko baterije zdržale še dlje, če bi izbrali eno kovino namesto druge, v tem primeru volfram namesto aluminija.Izboljšanje zmogljivosti teh vrst baterij jih bo pripeljalo korak bližje zamenjavi visoko vnetljivih baterij s tekočim elektrolitom, ki so danes na trgu.