Литиум-јонските батерии што се полнат се користат за напојување на многу електронски уреди во нашиот секојдневен живот, од лаптопи и мобилни телефони до електрични автомобили. Литиум-јонските батерии на пазарот денес обично се потпираат на течен раствор, наречен електролит, во центарот на ќелијата.

Кога батеријата напојува уред, литиумските јони се движат од негативно наелектризираниот крај, или анода, низ течниот електролит, до позитивно наелектризираниот крај, или катода. Кога батеријата се полни, јоните течат во спротивна насока од катодата, низ електролитот, до анодата.

Литиум-јонските батерии што се потпираат на течни електролити имаат голем безбедносен проблем: можат да се запалат кога се преполни или ќе се скрати спојот. Побезбедна алтернатива на течните електролити е да се изгради батерија што користи цврст електролит за пренос на литиумски јони помеѓу анодата и катодата.

Сепак, претходните студии покажаа дека цврстиот електролит доведува до мали метални израстоци, наречени дендрити, кои се наталожуваат на анодата додека батеријата се полни. Овие дендрити предизвикуваат краток спој на батериите при ниски струи, што ги прави неупотребливи.

Растот на дендритите започнува кај мали недостатоци во електролитот на границата помеѓу електролитот и анодата. Научниците во Индија неодамна открија начин за забавување на растот на дендритите. Со додавање на тенок метален слој помеѓу електролитот и анодата, тие можат да го спречат растот на дендритите во анодата.

Научниците одлучија да ги проучуваат алуминиумот и волфрамот како можни метали за да го изградат овој тенок метален слој. Ова е затоа што ниту алуминиумот ниту волфрамот не се мешаат, односно не се легираат, со литиум. Научниците веруваа дека ова ќе ја намали веројатноста за формирање на недостатоци во литиумот. Ако избраниот метал се легира со литиум, мали количини на литиум би можеле да се преместат во металниот слој со текот на времето. Ова би оставило еден вид на недостаток наречен празнина во литиумот каде што потоа би можел да се формира дендрит.

За да се тестира ефикасноста на металниот слој, беа склопени три вида батерии: една со тенок слој од алуминиум помеѓу литиумската анода и цврстиот електролит, една со тенок слој од волфрам и една без метален слој.

Пред да ги тестираат батериите, научниците користеле микроскоп со голема моќност, наречен скенирачки електронски микроскоп, за внимателно да ја разгледаат границата помеѓу анодата и електролитот. Тие виделе мали празнини и дупки во примерокот без метален слој, забележувајќи дека овие недостатоци се веројатно места за раст на дендрити. И батериите со слоеви од алуминиум и волфрам изгледале мазни и континуирани.

Во првиот експеримент, низ секоја батерија циркулираше константна електрична струја во текот на 24 часа. Батеријата без метален слој доживеа краток спој и откажа во првите 9 часа, веројатно поради раст на дендрити. Ниту една батерија со алуминиум или волфрам не откажа во овој почетен експеримент.

За да се утврди кој метален слој е подобар во запирањето на растот на дендритите, беше извршен друг експеримент само на примероци од алуминиумски и волфрамски слоеви. Во овој експеримент, батериите беа циклирани низ зголемување на густината на струјата, почнувајќи од струјата што се користеше во претходниот експеримент и зголемувајќи се за мала количина на секој чекор.

Се веруваше дека густината на струјата при која батеријата доживеала краток спој е критична густина на струјата за раст на дендритите. Батеријата со слој од алуминиум откажала при три пати поголема струја на стартување, а батеријата со слој од волфрам откажала при повеќе од пет пати поголема струја на стартување. Овој експеримент покажува дека волфрамот постигнал подобри резултати од алуминиумот.

Повторно, научниците користеле скенирачки електронски микроскоп за да ја испитаат границата помеѓу анодата и електролитот. Тие забележале дека празнините почнале да се формираат во металниот слој на две третини од критичната густина на струјата измерена во претходниот експеримент. Сепак, празнините не биле присутни на една третина од критичната густина на струјата. Ова потврдило дека формирањето празнини навистина се одвива по растот на дендритите.

Потоа, научниците извршија компјутерски пресметки за да разберат како литиумот комуницира со овие метали, користејќи го она што го знаеме за тоа како волфрамот и алуминиумот реагираат на промените на енергијата и температурата. Тие покажаа дека алуминиумските слоеви навистина имаат поголема веројатност за развој на празнини при интеракција со литиум. Користењето на овие пресметки би го олеснило изборот на друг вид метал за тестирање во иднина.

Оваа студија покажа дека батериите со цврст електролит се посигурни кога се додава тенок метален слој помеѓу електролитот и анодата. Научниците, исто така, покажаа дека изборот на еден метал пред друг, во овој случај волфрам наместо алуминиум, може да ги направи батериите да траат уште подолго. Подобрувањето на перформансите на овие типови батерии ќе ги доближи еден чекор поблиску до замена на високо запаливите батерии со течен електролит на денешниот пазар.