Punjive litijum-jonske baterije se koriste za napajanje mnogih elektronskih uređaja u našem svakodnevnom životu, od laptopa i mobilnih telefona do električnih automobila. Litijum-jonske baterije koje su danas na tržištu obično se oslanjaju na tečni rastvor, nazvan elektrolit, u središtu ćelije.

Kada baterija napaja uređaj, litijum ioni se kreću od negativno naelektrisanog kraja, ili anode, kroz tečni elektrolit, do pozitivno naelektrisanog kraja, ili katode. Kada se baterija puni, ioni teku u suprotnom smjeru od katode, kroz elektrolit, do anode.

Litijum-jonske baterije koje se oslanjaju na tečne elektrolite imaju veliki sigurnosni problem: mogu se zapaliti kada se prepune ili kratko spoje. Sigurnija alternativa tečnim elektrolitima je izrada baterije koja koristi čvrsti elektrolit za prenos litijum-jonskih 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 dok se baterija puni. Ovi dendriti izazivaju kratki spoj u baterijama pri niskim strujama, čineći ih neupotrebljivim.

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

Naučnici 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. Naučnici su vjerovali da bi to smanjilo vjerovatnoću stvaranja nedostataka u litijumu. Ako bi se odabrani metal legirao s litijem, male količine litijuma mogle bi se s vremenom premjestiti u metalni sloj. To bi ostavilo vrstu nedostatka koji se naziva praznina u litijumu gdje bi se zatim mogao formirati dendrit.

Kako bi se testirala efikasnost metalnog sloja, sastavljene su tri vrste baterija: jedna sa tankim slojem aluminija između litijum anode i čvrstog elektrolita, jedna sa tankim slojem volframa i jedna bez metalnog sloja.

Prije testiranja baterija, naučnici su koristili snažni mikroskop, nazvan skenirajući elektronski mikroskop, kako bi pažljivo proučili granicu između anode i elektrolita. Vidjeli su male praznine i rupe u uzorku bez metalnog sloja, napominjući da su te pukotine vjerovatna mjesta za rast dendrita. I baterije sa aluminijskim i volframovim slojevima izgledale su glatko i kontinuirano.

U prvom eksperimentu, konstantna električna struja je ciklično propuštana kroz svaku bateriju tokom 24 sata. Baterija bez metalnog sloja je doživjela kratki spoj i otkazala u prvih 9 sati, vjerovatno zbog rasta dendrita. Ni baterija sa aluminijumom ili 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 ciklično 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 preko pet puta većoj početnoj struji. Ovaj eksperiment pokazuje da je volfram bio bolji od aluminija.

Naučnici su ponovo koristili skenirajući elektronski mikroskop kako bi pregledali granicu između anode i elektrolita. Vidjeli su da su se šupljine počele formirati u metalnom sloju na dvije trećine kritičnih gustoća struje izmjerenih u prethodnom eksperimentu. Međutim, šupljine nisu bile prisutne na jednoj trećini kritične gustoće struje. Ovo je potvrdilo da formiranje šupljina zaista prethodi rastu dendrita.

Naučnici su zatim izvršili računarske proračune kako bi razumjeli kako litijum interaguje s ovim metalima, koristeći ono što znamo o tome kako volfram i aluminijum reaguju na promjene energije i temperature. Pokazali su da aluminijumski slojevi zaista imaju veću vjerovatnoću za razvoj šupljina pri interakciji s litijem. Korištenje ovih proračuna olakšalo bi 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 tanki metalni sloj. Naučnici su također pokazali da bi odabir jednog metala u odnosu na drugi, u ovom slučaju volframa umjesto aluminija, mogao produžiti vijek trajanja baterija. Poboljšanje performansi ovih tipova baterija približit će ih zamjeni lako zapaljivih baterija sa tečnim elektrolitom koje su danas na tržištu.