Oppladbare litiumion-batterier brukes til å drive mye elektronikk i hverdagen vår, fra bærbare datamaskiner og mobiltelefoner til elbiler.Litiumionbatteriene på markedet i dag er vanligvis avhengige av en flytende løsning, kalt en elektrolytt, i midten av cellen.

Når batteriet driver en enhet, beveger litiumioner seg fra den negativt ladede enden, eller anoden, gjennom den flytende elektrolytten, til den positivt ladede enden, eller katoden.Når batteriet lades opp, strømmer ionene den andre retningen fra katoden, gjennom elektrolytten, til anoden.

Litiumionbatterier som er avhengige av flytende elektrolytter har et stort sikkerhetsproblem: de kan ta fyr når de overlades eller kortsluttes.Et sikrere alternativ til flytende elektrolytter er å bygge et batteri som bruker en fast elektrolytt til å frakte litiumioner mellom anoden og katoden.

Tidligere studier har imidlertid funnet at en solid elektrolytt førte til små metalliske vekster, kalt dendritter, som ville bygge seg opp på anoden mens batteriet ladet.Disse dendrittene kortslutter batteriene ved lav strøm, noe som gjør dem ubrukelige.

Dendrittvekst begynner ved små feil i elektrolytten ved grensen mellom elektrolytt og anode.Forskere i India har nylig oppdaget en måte å bremse dendrittveksten.Ved å legge til et tynt metallisk lag mellom elektrolytt og anode, kan de stoppe dendritter fra å vokse inn i anoden.

Forskerne valgte å studere aluminium og wolfram som mulige metaller for å bygge dette tynne metalliske laget.Dette er fordi verken aluminium eller wolfram blandes, eller legering, med litium.Forskerne mente at dette ville redusere sannsynligheten for at det dannes feil i litiumet.Hvis metallet som ble valgt ble legert med litium, kunne små mengder litium bevege seg inn i metalllaget over tid.Dette vil etterlate en type feil som kalles et tomrom i litiumet hvor en dendritt kan dannes.

For å teste effektiviteten til det metalliske laget ble tre typer batterier satt sammen: ett med et tynt lag aluminium mellom litiumanode og den faste elektrolytten, ett med et tynt lag av wolfram, og ett uten metallisk lag.

Før de testet batteriene, brukte forskerne et kraftig mikroskop, kalt et skanningselektronmikroskop, for å se nøye på grensen mellom anode og elektrolytt.De så små hull og hull i prøven uten metallisk lag, og la merke til at disse feilene sannsynligvis er steder for dendritter å vokse.Både batteriene med aluminium- og wolframlag så jevne og kontinuerlige ut.

I det første eksperimentet ble en konstant elektrisk strøm syklet gjennom hvert batteri i 24 timer.Batteriet uten metallisk lag kortsluttet og sviktet i løpet av de første 9 timene, sannsynligvis på grunn av dendrittvekst.Verken batteri med aluminium eller wolfram sviktet i dette første eksperimentet.

For å finne ut hvilket metalllag som var bedre til å stoppe dendrittvekst, ble det utført et nytt eksperiment på bare prøvene av aluminium og wolfram.I dette eksperimentet ble batteriene syklet gjennom økende strømtettheter, og startet med strømmen som ble brukt i forrige forsøk og økte med en liten mengde ved hvert trinn.

Strømtettheten som batteriet kortsluttet ble antatt å være den kritiske strømtettheten for dendrittvekst.Batteriet med et aluminiumslag sviktet ved tre ganger startstrømmen, og batteriet med et wolframlag sviktet med over fem ganger startstrømmen.Dette eksperimentet viser at wolfram klarte seg bedre enn aluminium.

Igjen brukte forskerne et skanningselektronmikroskop for å inspisere grensen mellom anode og elektrolytt.De så at hulrom begynte å dannes i metalllaget ved to tredjedeler av de kritiske strømtetthetene målt i forrige forsøk.Imidlertid var tomrom ikke til stede ved en tredjedel av den kritiske strømtettheten.Dette bekreftet at tomromsdannelse fortsetter dendrittvekst.

Forskerne kjørte deretter beregninger for å forstå hvordan litium interagerer med disse metallene, ved å bruke det vi vet om hvordan wolfram og aluminium reagerer på energi- og temperaturendringer.De demonstrerte at aluminiumslag faktisk har en høyere sannsynlighet for utvikling av hulrom når de interagerer med litium.Å bruke disse beregningene vil gjøre det lettere å velge en annen type metall å teste i fremtiden.

Denne studien har vist at solide elektrolyttbatterier er mer pålitelige når et tynt metallisk lag legges mellom elektrolytt og anode.Forskerne viste også at å velge ett metall fremfor et annet, i dette tilfellet wolfram i stedet for aluminium, kan få batteriene til å vare enda lenger.Å forbedre ytelsen til disse batteritypene vil bringe dem ett skritt nærmere å erstatte de svært brannfarlige flytende elektrolyttbatteriene på markedet i dag.