Oppladbare litiumionbatterier 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 tryggere 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 fast elektrolytt førte til små metalliske utvekster, 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 sprekker i elektrolytten ved grensen mellom elektrolytt og anode. Forskere i India har nylig oppdaget en måte å bremse dendrittveksten på. Ved å legge til et tynt metalllag 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 metalllaget. Dette er fordi verken aluminium eller wolfram blandes eller legeres med litium. Forskerne mente at dette ville redusere sannsynligheten for at det dannes feil i litiumet. Hvis det valgte metallet legeres med litium, kan små mengder litium bevege seg inn i metalllaget over tid. Dette vil etterlate en type feil kalt et hulrom i litiumet hvor en dendritt deretter kan dannes.

For å teste effektiviteten til metalllaget ble det satt sammen tre typer batterier: ett med et tynt lag aluminium mellom litiumanoden og den faste elektrolytten, ett med et tynt lag wolfram og ett uten metalllag.

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 gap i prøven uten metallisk lag, og bemerket at disse feilene sannsynligvis er steder for dendritter å vokse. Både batteriene med aluminium- og wolframlag så glatte og kontinuerlige ut.

I det første eksperimentet ble det ført en konstant elektrisk strøm 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 batterier med aluminium eller wolfram sviktet i dette første eksperimentet.

For å bestemme hvilket metalllag som var bedre til å stoppe dendrittvekst, ble det utført et annet eksperiment på bare aluminium- og wolframlagprøvene. I dette eksperimentet ble batteriene syklet gjennom økende strømtettheter, startende med strømmen som ble brukt i det forrige eksperimentet og økt med en liten mengde i hvert trinn.

Strømtettheten der 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 ved over fem ganger startstrømmen. Dette eksperimentet viser at wolfram presterte 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 det forrige eksperimentet. Imidlertid var det ingen hulrom tilstede ved en tredjedel av den kritiske strømtettheten. Dette bekreftet at hulromsdannelse faktisk fortsetter dendrittvekst.

Forskerne utførte deretter beregninger for å forstå hvordan litium samhandler med disse metallene, ved å bruke det vi vet om hvordan wolfram og aluminium reagerer på energi- og temperaturendringer. De viste at aluminiumslag faktisk har en høyere sannsynlighet for å utvikle hulrom når de samhandler med litium. Bruk av disse beregningene ville gjøre det enklere å velge en annen type metall å teste i fremtiden.

Denne studien har vist at faste elektrolyttbatterier er mer pålitelige når et tynt metalllag legges mellom elektrolytt og anode. Forskerne demonstrerte også at det å velge ett metall fremfor et annet, i dette tilfellet wolfram i stedet for aluminium, kan gjøre at batterier varer enda lenger. Å forbedre ytelsen til disse batteritypene vil bringe dem et skritt nærmere å erstatte de svært brannfarlige flytende elektrolyttbatteriene som er på markedet i dag.