Genopladelige lithium-ion-batterier bruges til at drive mange elektronikprodukter i vores hverdag, fra bærbare computere og mobiltelefoner til elbiler.Lithium-ion-batterierne på markedet i dag er typisk afhængige af en flydende opløsning, kaldet en elektrolyt, i midten af ​​cellen.

Når batteriet driver en enhed, bevæger lithiumioner sig fra den negativt ladede ende eller anode gennem den flydende elektrolyt til den positivt ladede ende eller katode.Når batteriet genoplades, strømmer ionerne den anden retning fra katoden, gennem elektrolytten, til anoden.

Lithium-ion-batterier, der er afhængige af flydende elektrolytter, har et stort sikkerhedsproblem: de kan brænde, når de overlades eller kortsluttes.Et mere sikkert alternativ til flydende elektrolytter er at bygge et batteri, der bruger en fast elektrolyt til at transportere lithiumioner mellem anoden og katoden.

Tidligere undersøgelser har dog fundet ud af, at en fast elektrolyt førte til små metalliske vækster, kaldet dendritter, der ville bygge sig op på anoden, mens batteriet blev opladet.Disse dendritter kortslutter batterierne ved lav strøm, hvilket gør dem ubrugelige.

Dendritvækst begynder ved små fejl i elektrolytten ved grænsen mellem elektrolyt og anode.Forskere i Indien har for nylig opdaget en måde at bremse dendritvækst.Ved at tilføje et tyndt metallisk lag mellem elektrolyt og anode, kan de stoppe dendritter i at vokse ind i anoden.

Forskerne valgte at studere aluminium og wolfram som mulige metaller til at bygge dette tynde metalliske lag.Dette skyldes, at hverken aluminium eller wolfram blandes eller legeres med lithium.Forskerne mente, at dette ville mindske sandsynligheden for, at der dannes fejl i lithium.Hvis det valgte metal blev legeret med lithium, kunne små mængder lithium bevæge sig ind i metallaget over tid.Dette ville efterlade en type fejl kaldet et tomrum i lithium, hvor en dendrit så kunne dannes.

For at teste effektiviteten af ​​det metalliske lag blev tre typer batterier samlet: en med et tyndt lag aluminium mellem lithiumanode og den faste elektrolyt, en med et tyndt lag wolfram og en uden metallisk lag.

Før de testede batterierne, brugte forskerne et højeffektmikroskop, kaldet et scanningselektronmikroskop, til at se nøje på grænsen mellem anode og elektrolyt.De så små huller og huller i prøven uden metallisk lag, og bemærkede, at disse fejl sandsynligvis er steder for dendritter at vokse.Både batterierne med aluminium- og wolframlag så glatte og kontinuerlige ud.

I det første forsøg blev en konstant elektrisk strøm cirkuleret gennem hvert batteri i 24 timer.Batteriet uden metallisk lag kortsluttede og svigtede inden for de første 9 timer, sandsynligvis på grund af dendritvækst.Hverken batteri med aluminium eller wolfram fejlede i dette indledende eksperiment.

For at bestemme, hvilket metallag der var bedre til at stoppe dendritvækst, blev der udført et andet eksperiment på kun aluminium- og wolframlagprøverne.I dette eksperiment blev batterierne cyklet gennem stigende strømtætheder, startende ved den strøm, der blev brugt i det foregående eksperiment, og øget med en lille mængde ved hvert trin.

Den strømtæthed, hvorved batteriet kortsluttede, menes at være den kritiske strømtæthed for dendritvækst.Batteriet med et aluminiumslag svigtede ved tre gange startstrømmen, og batteriet med et wolframlag svigtede ved over fem gange startstrømmen.Dette eksperiment viser, at wolfram klarede sig bedre end aluminium.

Igen brugte forskerne et scanningselektronmikroskop til at inspicere grænsen mellem anode og elektrolyt.De så, at hulrum begyndte at dannes i metallaget ved to tredjedele af de kritiske strømtætheder målt i det forrige eksperiment.Imidlertid var hulrum ikke til stede ved en tredjedel af den kritiske strømtæthed.Dette bekræftede, at tomrumsdannelse fortsætter dendritvækst.

Forskerne udførte derefter beregninger for at forstå, hvordan lithium interagerer med disse metaller, ved at bruge det, vi ved om, hvordan wolfram og aluminium reagerer på energi- og temperaturændringer.De viste, at aluminiumslag faktisk har en større sandsynlighed for udvikling af hulrum, når de interagerer med lithium.Brug af disse beregninger ville gøre det lettere at vælge en anden type metal at teste i fremtiden.

Denne undersøgelse har vist, at solide elektrolytbatterier er mere pålidelige, når der tilføjes et tyndt metallisk lag mellem elektrolyt og anode.Forskerne viste også, at valg af et metal frem for et andet, i dette tilfælde wolfram i stedet for aluminium, kunne få batterier til at holde endnu længere.Forbedring af ydeevnen af ​​disse typer batterier vil bringe dem et skridt tættere på at erstatte de meget brandfarlige flydende elektrolytbatterier på markedet i dag.