Punjive litijum-jonske baterije koriste se za napajanje mnogih elektronika u našem svakodnevnom životu, od laptopa i mobilnih telefona do električnih automobila.Litijum-jonske baterije na današnjem tržištu obično se oslanjaju na tečnu otopinu, nazvanu elektrolit, u središtu ćelije.

Kada baterija napaja uređaj, litijum joni se kreću od negativno nabijenog kraja, ili anode, preko tečnog elektrolita, do pozitivno nabijenog kraja ili katode.Kada se baterija puni, joni teku u drugom smjeru od katode, preko elektrolita, do anode.

Litijum-jonske baterije koje se oslanjaju na tečne elektrolite imaju veliki sigurnosni problem: mogu se zapaliti kada su prenapunjene ili kratko spojene.Sigurnija alternativa tekućim elektrolitima je izgradnja baterije koja koristi čvrsti elektrolit za nošenje litijevih jona između anode i katode.

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

Rast dendrita počinje kod malih nedostataka u elektrolitu na granici između elektrolita i anode.Naučnici u Indiji nedavno su otkrili način za usporavanje rasta dendrita.Dodavanjem tankog metalnog sloja između elektrolita i anode, oni mogu spriječiti rast dendrita u anodu.

Naučnici su odabrali da proučavaju aluminijum i volfram kao moguće metale za izgradnju ovog tankog metalnog sloja.To je zato što se ni aluminij ni volfram ne miješaju, niti legure, s litijumom.Naučnici su vjerovali da će to smanjiti vjerovatnoću nastanka nedostataka u litijumu.Ako bi se odabrani metal legirao sa litijumom, male količine litijuma bi se vremenom mogle pomaknuti u metalni sloj.Ovo bi ostavilo neku vrstu mane koja se zove praznina u litiju gde bi se potom mogao formirati dendrit.

Kako bi se testirala efikasnost metalnog sloja, sastavljena su tri tipa baterija: jedna sa tankim slojem aluminijuma između litijumske anode i čvrstog elektrolita, jedna sa tankim slojem volframa i jedna bez metalnog sloja.

Prije testiranja baterija, naučnici 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, napominjući da su ove mane vjerovatno mjesta za rast dendrita.Obje baterije sa slojevima aluminijuma i volframa izgledale su glatko i kontinuirano.

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

Kako bi se utvrdilo koji metalni sloj je bolji u zaustavljanju rasta dendrita, izveden je još jedan eksperiment samo na uzorcima sloja aluminija i volframa.U ovom eksperimentu, baterije su kružile kroz povećanje 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 baterija kratko spojena kritična gustoća struje za rast dendrita.Baterija sa aluminijumskim slojem otkazala je pri tri puta većoj početnoj struji, a baterija sa slojem volframa je otkazala pri preko pet puta većoj početnoj struji.Ovaj eksperiment pokazuje da je volfram nadmašio aluminij.

Opet, naučnici su koristili skenirajući elektronski mikroskop da pregledaju granicu između anode i elektrolita.Vidjeli su da su šupljine počele da se stvaraju u metalnom sloju na dvije trećine kritične gustine struje izmjerene u prethodnom eksperimentu.Međutim, praznine nisu bile prisutne na jednoj trećini kritične gustine struje.Ovo je potvrdilo da formiranje šupljina nastavlja rast dendrita.

Naučnici su zatim izvršili računske proračune kako bi razumjeli kako litijum stupa u interakciju sa ovim metalima, koristeći ono što znamo o tome kako volfram i aluminijum reaguju na promene energije i temperature.Oni su pokazali da aluminijski slojevi zaista imaju veću vjerovatnoću za nastanak šupljina pri interakciji s litijumom.Korištenje ovih proračuna bi olakšalo odabir druge vrste metala za testiranje u budućnosti.

Ova studija je pokazala da su baterije sa čvrstim elektrolitom pouzdanije kada se između elektrolita i anode doda tanak metalni sloj.Naučnici su također pokazali da bi odabir jednog metala umjesto drugog, u ovom slučaju volframa umjesto aluminija, mogao produžiti trajanje baterija.Poboljšanje performansi ovih vrsta baterija dovest će ih korak bliže zamjeni baterija sa lako zapaljivim tekućim elektrolitom na današnjem tržištu.