Genopladelige lithium-ion-batterier bruges til at drive mange elektroniske apparater i vores hverdag, lige fra bærbare computere og mobiltelefoner til elbiler. De lithium-ion-batterier, der findes på markedet i dag, bruger typisk en flydende opløsning, kaldet en elektrolyt, i midten af ​​cellen.

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

Litium-ion-batterier, der er afhængige af flydende elektrolytter, har et stort sikkerhedsproblem: de kan antændes, når de overoplades eller kortsluttes. Et sikrere alternativ til flydende elektrolytter er at bygge et batteri, der bruger en fast elektrolyt til at transportere litiumioner mellem anoden og katoden.

Tidligere undersøgelser har dog vist, at en fast elektrolyt førte til små metalliske udvækster, kaldet dendritter, der ophobede sig på anoden, mens batteriet opladede. 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 dendritvæksten på. Ved at tilføje et tyndt metallisk lag mellem elektrolyt og anode kan de forhindre dendritter i at vokse ind i anoden.

Forskerne valgte at undersøge aluminium og wolfram som mulige metaller til at opbygge dette tynde metalliske lag. Dette skyldes, at hverken aluminium eller wolfram blandes eller legeres med lithium. Forskerne mente, at dette ville mindske sandsynligheden for dannelse af fejl i lithium. Hvis det valgte metal legerede med lithium, kunne små mængder lithium over tid bevæge sig ind i metalllaget. Dette ville efterlade en type fejl kaldet et hulrum i lithium, hvor en dendrit derefter kunne dannes.

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

Før de testede batterierne, brugte forskerne et kraftigt mikroskop, kaldet et scanningselektronmikroskop, til at undersøge grænsen mellem anode og elektrolyt nærmere. De så små huller og mellemrum i prøven uden et metallisk lag og bemærkede, at disse fejl sandsynligvis er steder, hvor dendritter kan vokse. Både batterierne med aluminium- og wolframlag så glatte og kontinuerlige ud.

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

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

Den strømtæthed, hvor batteriet kortsluttede, blev anset for at være den kritiske strømtæthed for dendritvækst. Batteriet med et aluminiumlag 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 foregående eksperiment. Der var dog ingen hulrum til stede ved en tredjedel af den kritiske strømtæthed. Dette bekræftede, at hulrumsdannelse faktisk fremskynder dendritvækst.

Forskerne udførte derefter beregninger for at forstå, hvordan lithium interagerer med disse metaller, ved hjælp af vores viden om, hvordan wolfram og aluminium reagerer på energi- og temperaturændringer. De viste, at aluminiumslag faktisk har en højere sandsynlighed for at udvikle 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 batterier med fast elektrolyt er mere pålidelige, når der tilføjes et tyndt metallisk lag mellem elektrolyt og anode. Forskerne demonstrerede også, at valget af ét metal frem for et andet, i dette tilfælde wolfram i stedet for aluminium, kan få batterierne 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.