Įkraunamos ličio jonų baterijos naudojamos maitinti daugelį elektronikos prietaisų kasdieniame gyvenime – nuo ​​nešiojamųjų kompiuterių ir mobiliųjų telefonų iki elektromobilių. Šiandien rinkoje esančios ličio jonų baterijos paprastai veikia su skystu tirpalu, vadinamu elektrolitu, esančiu ląstelės centre.

Kai akumuliatorius maitina įrenginį, ličio jonai juda iš neigiamai įkrauto galo, arba anodo, per skystą elektrolitą į teigiamai įkrautą galą, arba katodą. Kai akumuliatorius įkraunamas, jonai teka priešinga kryptimi – nuo ​​katodo, per elektrolitą, į anodą.

Ličio jonų akumuliatoriai, kurie naudoja skystus elektrolitus, turi didelę saugos problemą: perkrovus arba įvykus trumpajam jungimui, jie gali užsidegti. Saugesnė alternatyva skystiems elektrolitams yra sukurti akumuliatorių, kuriame ličio jonams tarp anodo ir katodo pernešti naudojamas kietas elektrolitas.

Tačiau ankstesni tyrimai parodė, kad kietas elektrolitas sukėlęs mažus metalinius darinius, vadinamus dendritais, kurie kaupdavosi ant anodo, kai baterija kraunama. Šie dendritai esant mažoms srovėms sukelia trumpąjį jungimą baterijose, todėl jos tampa nebenaudojamos.

Dendritų augimas prasideda nuo mažų elektrolito įtrūkimų, esančių elektrolito ir anodo riboje. Indijos mokslininkai neseniai atrado būdą, kaip sulėtinti dendritų augimą. Pridėjus ploną metalo sluoksnį tarp elektrolito ir anodo, jie gali sustabdyti dendritų augimą į anodą.

Mokslininkai pasirinko tirti aliuminį ir volframą kaip galimus metalus šiam plonam metalo sluoksniui sukurti. Taip yra todėl, kad nei aliuminis, nei volframas nesimaišo ir nelydija su ličiu. Mokslininkai manė, kad tai sumažintų ličio defektų susidarymo tikimybę. Jei pasirinktas metalas būtų lydinys su ličiu, nedidelis kiekis ličio laikui bėgant galėtų patekti į metalo sluoksnį. Dėl to lityje liktų defektas, vadinamas tuštuma, kurioje galėtų susidaryti dendritas.

Siekiant patikrinti metalinio sluoksnio efektyvumą, buvo surinktos trijų tipų baterijos: viena su plonu aliuminio sluoksniu tarp ličio anodo ir kietojo elektrolito, viena su plonu volframo sluoksniu ir viena be metalinio sluoksnio.

Prieš bandydami baterijas, mokslininkai panaudojo galingą mikroskopą, vadinamą skenuojančiu elektroniniu mikroskopu, kad atidžiai ištirtų anodo ir elektrolito ribą. Jie pastebėjo mažus tarpus ir skylutes mėginyje be metalinio sluoksnio, pastebėdami, kad šie trūkumai yra greičiausiai dendritų augimo vietos. Abi baterijos su aliuminio ir volframo sluoksniais atrodė lygios ir vientisos.

Pirmajame eksperimente per kiekvieną bateriją 24 valandas buvo cikliškai leidžiama pastovi elektros srovė. Baterija be metalinio sluoksnio per pirmąsias 9 valandas sugedo trumpai, greičiausiai dėl dendritų augimo. Nei viena baterija su aliuminiu ar volframu šiame pradiniame eksperimente nesugedo.

Siekiant nustatyti, kuris metalo sluoksnis geriau stabdo dendritų augimą, buvo atliktas kitas eksperimentas tik su aliuminio ir volframo sluoksnių pavyzdžiais. Šiame eksperimente baterijos buvo cikliškai veikiamos didėjančiu srovės tankiu, pradedant nuo ankstesniame eksperimente naudotos srovės ir kiekviename žingsnyje po truputį didinant.

Manoma, kad srovės tankis, kuriam esant akumuliatorius sujungė trumpai, yra kritinis srovės tankis dendritų augimui. Baterija su aliuminio sluoksniu sugedo esant tris kartus didesnei pradinei srovei, o baterija su volframo sluoksniu – daugiau nei penkis kartus didesnei pradinei srovei. Šis eksperimentas rodo, kad volframas pranoko aliuminį.

Mokslininkai vėlgi panaudojo skenuojantį elektroninį mikroskopą, kad apžiūrėtų anodo ir elektrolito ribą. Jie pastebėjo, kad metalo sluoksnyje tuštumos pradėjo formuotis esant dviem trečdaliams ankstesniame eksperimente išmatuotų kritinių srovės tankių. Tačiau esant trečdaliui kritinio srovės tankio tuštumų nebuvo. Tai patvirtino, kad tuštumų susidarymas iš tiesų yra dendritų augimo pasekmė.

Tada mokslininkai atliko skaičiavimus, kad suprastų, kaip ličio sąveikauja su šiais metalais, remdamiesi tuo, ką žinome apie volframo ir aliuminio reakciją į energijos ir temperatūros pokyčius. Jie įrodė, kad aliuminio sluoksniai, sąveikaudami su ličio, iš tiesų turi didesnę tuštumų susidarymo tikimybę. Šių skaičiavimų naudojimas ateityje palengvintų kito metalo tipo pasirinkimą bandymams.

Šis tyrimas parodė, kad kietojo elektrolito baterijos yra patikimesnės, kai tarp elektrolito ir anodo pridedamas plonas metalo sluoksnis. Mokslininkai taip pat įrodė, kad pasirinkus vieną metalą vietoj kito, šiuo atveju volframą vietoj aliuminio, baterijos gali tarnauti dar ilgiau. Pagerinus šių tipų baterijų veikimą, jos bus dar labiau priartintos prie šiandien rinkoje esančių labai degių skystojo elektrolito baterijų pakeitimo.