Акумулаторните литиево-йонни батерии се използват за захранване на много електронни устройства в ежедневието ни, от лаптопи и мобилни телефони до електрически автомобили. Литиево-йонните батерии на пазара днес обикновено разчитат на течен разтвор, наречен електролит, в центъра на клетката.

Когато батерията захранва устройство, литиевите йони се движат от отрицателно заредения край, или анод, през течния електролит, към положително заредения край, или катод. Когато батерията се презарежда, йоните текат в обратната посока от катода, през електролита, към анода.

Литиево-йонните батерии, които разчитат на течни електролити, имат сериозен проблем с безопасността: те могат да се запалят при презареждане или късо съединение. По-безопасна алтернатива на течните електролити е изграждането на батерия, която използва твърд електролит за пренасяне на литиеви йони между анода и катода.

Предишни проучвания обаче са установили, че твърд електролит води до малки метални образувания, наречени дендрити, които се натрупват върху анода, докато батерията се зарежда. Тези дендрити причиняват късо съединение в батериите при ниски токове, което ги прави неизползваеми.

Растежът на дендрити започва от малки пукнатини в електролита на границата между електролита и анода. Учени в Индия наскоро откриха начин за забавяне на растежа на дендритите. Чрез добавяне на тънък метален слой между електролита и анода, те могат да спрат растежа на дендритите в анода.

Учените избрали да изследват алуминия и волфрама като възможни метали за изграждане на този тънък метален слой. Това е така, защото нито алуминият, нито волфрамът се смесват или сплавят с литий. Учените вярвали, че това би намалило вероятността от образуване на дефекти в лития. Ако избраният метал се сплави с литий, малки количества литий биха могли да се преместят в металния слой с течение на времето. Това би оставило вид дефект, наречен кухина, в лития, където след това би могъл да се образува дендрит.

За да се тества ефективността на металния слой, бяха сглобени три вида батерии: една с тънък слой алуминий между литиевия анод и твърдия електролит, една с тънък слой волфрам и една без метален слой.

Преди да тестват батериите, учените използвали мощен микроскоп, наречен сканиращ електронен микроскоп, за да разгледат отблизо границата между анода и електролита. Те видели малки пролуки и дупки в пробата без метален слой, отбелязвайки, че тези дефекти са вероятни места за растеж на дендрити. Както батериите с алуминиев, така и с волфрамов слой изглеждали гладки и непрекъснати.

В първия експеримент през всяка батерия е протичал постоянен електрически ток в продължение на 24 часа. Батерията без метален слой е получила късо съединение и е отказала през първите 9 часа, вероятно поради растеж на дендрити. Нито една от батериите с алуминий, нито друга с волфрам не се е отказала в този първоначален експеримент.

За да се определи кой метален слой е по-добър в спирането на растежа на дендрити, беше проведен друг експеримент само върху проби от алуминиев и волфрамов слой. В този експеримент батериите бяха циклично променяни през нарастващи плътности на тока, започвайки от тока, използван в предишния експеримент, и увеличавайки го с малко количество на всяка стъпка.

Смята се, че плътността на тока, при която батерията е получила късо съединение, е критичната плътност на тока за растеж на дендрити. Батерията с алуминиев слой се е повредила при три пъти по-голям начален ток, а батерията с волфрамов слой се е повредила при над пет пъти по-голям начален ток. Този експеримент показва, че волфрамът е превъзхождал алуминия.

Учените отново използваха сканиращ електронен микроскоп, за да изследват границата между анода и електролита. Те видяха, че кухини започват да се образуват в металния слой при две трети от критичната плътност на тока, измерена в предишния експеримент. Кухини обаче не присъстваха при една трета от критичната плътност на тока. Това потвърди, че образуването на кухини протича по време на растежа на дендритите.

След това учените провели компютърни изчисления, за да разберат как литият взаимодейства с тези метали, използвайки това, което знаем за това как волфрамът и алуминият реагират на промени в енергията и температурата. Те демонстрирали, че алуминиевите слоеве наистина имат по-голяма вероятност за развитие на кухини при взаимодействие с литий. Използването на тези изчисления би улеснило избора на друг вид метал за тестване в бъдеще.

Това проучване показа, че батериите с твърд електролит са по-надеждни, когато между електролита и анода се добави тънък метален слой. Учените също така демонстрираха, че изборът на един метал пред друг, в този случай волфрам вместо алуминий, може да удължи живота на батериите. Подобряването на производителността на тези видове батерии ще ги доближи с една стъпка до замяната на леснозапалимите батерии с течен електролит, които са на пазара днес.