Nabíjateľné lítium-iónové batérie sa používajú na napájanie mnohých elektronických zariadení v našom každodennom živote, od notebookov a mobilných telefónov až po elektromobily. Lítium-iónové batérie na dnešnom trhu sa zvyčajne spoliehajú na kvapalný roztok nazývaný elektrolyt, ktorý sa nachádza v strede článku.

Keď batéria napája zariadenie, lítiové ióny sa pohybujú od záporne nabitého konca, čiže anódy, cez tekutý elektrolyt ku kladne nabitému koncu, čiže katóde. Keď sa batéria nabíja, ióny prúdia opačným smerom, od katódy, cez elektrolyt, k anóde.

Lítium-iónové batérie, ktoré sa spoliehajú na tekuté elektrolyty, majú závažný bezpečnostný problém: pri prebíjaní alebo skrate sa môžu vznietiť. Bezpečnejšou alternatívou ku tekutým elektrolytom je zostavenie batérie, ktorá používa pevný elektrolyt na prenos lítiových iónov medzi anódou a katódou.

Predchádzajúce štúdie však zistili, že pevný elektrolyt viedol k malým kovovým výrastkom, nazývaným dendrity, ktoré sa hromadili na anóde počas nabíjania batérie. Tieto dendrity spôsobujú skrat batérií pri nízkych prúdoch, čím sa stávajú nepoužiteľnými.

Rast dendritov začína v malých trhlinách v elektrolyte na hranici medzi elektrolytom a anódou. Vedci v Indii nedávno objavili spôsob, ako spomaliť rast dendritov. Pridaním tenkej kovovej vrstvy medzi elektrolyt a anódu môžu zabrániť rastu dendritov do anódy.

Vedci sa rozhodli študovať hliník a volfrám ako možné kovy na vytvorenie tejto tenkej kovovej vrstvy. Je to preto, že ani hliník, ani volfrám sa nemiešajú ani nezliatinujú s lítiom. Vedci sa domnievali, že by to znížilo pravdepodobnosť vzniku chýb v lítiu. Ak by sa zvolený kov zliatil s lítiom, malé množstvá lítia by sa časom mohli presunúť do kovovej vrstvy. To by v lítiu zanechalo typ chýb nazývanej dutina, kde by sa potom mohol vytvoriť dendrit.

Na otestovanie účinnosti kovovej vrstvy boli zostavené tri typy batérií: jedna s tenkou vrstvou hliníka medzi lítiovou anódou a pevným elektrolytom, jedna s tenkou vrstvou volfrámu a jedna bez kovovej vrstvy.

Pred testovaním batérií vedci použili vysokovýkonný mikroskop, nazývaný skenovací elektrónový mikroskop, aby sa bližšie pozreli na hranicu medzi anódou a elektrolytom. Vo vzorke bez kovovej vrstvy videli malé medzery a otvory, pričom si všimli, že tieto trhliny sú pravdepodobne miestami pre rast dendritov. Batérie s hliníkovou aj volfrámovou vrstvou vyzerali hladko a súvisle.

V prvom experimente bol cez každú batériu cyklicky prepúšťaný konštantný elektrický prúd počas 24 hodín. Batéria bez kovovej vrstvy skratovala a zlyhala v priebehu prvých 9 hodín, pravdepodobne v dôsledku rastu dendritov. Ani batéria s hliníkom, ani s volfrámom v tomto počiatočnom experimente zlyhala.

Aby sa zistilo, ktorá kovová vrstva lepšie zastavuje rast dendritov, vykonal sa ďalší experiment len ​​na vzorkách hliníkovej a volfrámovej vrstvy. V tomto experimente boli batérie cyklicky prepínané so zvyšujúcou sa hustotou prúdu, pričom sa prúd používal v predchádzajúcom experimente a v každom kroku sa mierne zvyšoval.

Predpokladalo sa, že hustota prúdu, pri ktorej došlo ku skratu batérie, je kritická hustota prúdu pre rast dendritov. Batéria s hliníkovou vrstvou zlyhala pri trojnásobku počiatočného prúdu a batéria s volfrámovou vrstvou zlyhala pri viac ako päťnásobku počiatočného prúdu. Tento experiment ukazuje, že volfrám prekonal hliník.

Vedci opäť použili skenovací elektrónový mikroskop na preskúmanie hranice medzi anódou a elektrolytom. Zistili, že dutiny sa začali tvoriť v kovovej vrstve pri dvoch tretinách kritickej hustoty prúdu nameranej v predchádzajúcom experimente. Dutiny však neboli prítomné pri jednej tretine kritickej hustoty prúdu. To potvrdilo, že tvorba dutín predchádza rastu dendritov.

Vedci potom vykonali počítačové výpočty, aby pochopili, ako lítium interaguje s týmito kovmi, s využitím toho, čo vieme o tom, ako volfrám a hliník reagujú na zmeny energie a teploty. Preukázali, že hliníkové vrstvy majú skutočne vyššiu pravdepodobnosť vzniku dutín pri interakcii s lítiom. Použitie týchto výpočtov by uľahčilo výber iného typu kovu na testovanie v budúcnosti.

Táto štúdia ukázala, že batérie s pevným elektrolytom sú spoľahlivejšie, keď sa medzi elektrolyt a anódu pridá tenká kovová vrstva. Vedci tiež preukázali, že výber jedného kovu pred druhým, v tomto prípade volfrámu namiesto hliníka, by mohol predĺžiť životnosť batérií. Zlepšenie výkonu týchto typov batérií ich priblíži k nahradeniu vysoko horľavých batérií s tekutým elektrolytom, ktoré sú dnes na trhu.