Bateriile reîncărcabile litiu-ion sunt folosite pentru a alimenta multe dispozitive electronice din viața noastră de zi cu zi, de la laptopuri și telefoane mobile până la mașini electrice. Bateriile litiu-ion de pe piață astăzi se bazează de obicei pe o soluție lichidă, numită electrolit, în centrul celulei.

Când bateria alimentează un dispozitiv, ionii de litiu se deplasează de la capătul încărcat negativ, sau anod, prin electrolitul lichid, la capătul încărcat pozitiv, sau catod. Când bateria este reîncărcată, ionii curg în direcția opusă de la catod, prin electrolit, la anod.

Bateriile litiu-ion care se bazează pe electroliți lichizi prezintă o problemă majoră de siguranță: se pot aprinde atunci când sunt supraîncărcate sau scurtcircuitate. O alternativă mai sigură la electroliții lichizi este construirea unei baterii care utilizează un electrolit solid pentru a transporta ionii de litiu între anod și catod.

Totuși, studii anterioare au descoperit că un electrolit solid a dus la mici excrescențe metalice, numite dendrite, care se acumulau pe anod în timp ce bateria se încărca. Aceste dendrite scurtcircuitează bateriile la curenți mici, făcându-le inutilizabile.

Creșterea dendritelor începe la micile fisuri ale electrolitului, la limita dintre electrolit și anod. Oamenii de știință din India au descoperit recent o modalitate de a încetini creșterea dendritelor. Prin adăugarea unui strat metalic subțire între electrolit și anod, aceștia pot opri creșterea dendritelor în anod.

Oamenii de știință au ales să studieze aluminiul și tungstenul ca posibile metale pentru a construi acest strat metalic subțire. Acest lucru se datorează faptului că nici aluminiul, nici tungstenul nu se amestecă sau nu se aliază cu litiul. Oamenii de știință au crezut că acest lucru ar reduce probabilitatea formării unor defecte în litiu. Dacă metalul ales s-ar alia cu litiul, cantități mici de litiu s-ar putea deplasa în stratul metalic în timp. Acest lucru ar lăsa un tip de defect numit gol în litiu, unde s-ar putea forma apoi o dendrită.

Pentru a testa eficacitatea stratului metalic, au fost asamblate trei tipuri de baterii: una cu un strat subțire de aluminiu între anodul de litiu și electrolitul solid, una cu un strat subțire de tungsten și una fără strat metalic.

Înainte de a testa bateriile, oamenii de știință au folosit un microscop de mare putere, numit microscop electronic cu scanare, pentru a examina îndeaproape limita dintre anod și electrolit. Au observat mici goluri și găuri în probă, fără strat metalic, observând că aceste defecte sunt probabil locuri pentru creșterea dendritelor. Ambele baterii cu straturi de aluminiu și tungsten păreau netede și continue.

În primul experiment, un curent electric constant a fost trecut prin fiecare baterie timp de 24 de ore. Bateria fără strat metalic a intrat în scurtcircuit și s-a defectat în primele 9 ore, probabil din cauza creșterii dendritelor. Nicio baterie cu aluminiu, nici cea cu tungsten nu s-a defectat în acest experiment inițial.

Pentru a determina care strat metalic a fost mai eficient în oprirea creșterii dendritelor, s-a efectuat un alt experiment doar pe probele de straturi de aluminiu și tungsten. În acest experiment, bateriile au fost supuse unor cicluri de creștere a densităților de curent, începând de la curentul utilizat în experimentul anterior și crescând cu o cantitate mică la fiecare pas.

Se considera că densitatea de curent la care bateria a intrat în scurtcircuit este densitatea de curent critică pentru creșterea dendritelor. Bateria cu strat de aluminiu s-a defectat la un curent de pornire de trei ori mai mare, iar bateria cu strat de tungsten s-a defectat la un curent de pornire de peste cinci ori mai mare. Acest experiment arată că tungstenul a depășit aluminiul.

Din nou, oamenii de știință au folosit un microscop electronic cu scanare pentru a inspecta limita dintre anod și electrolit. Au observat că golurile au început să se formeze în stratul metalic la două treimi din densitățile critice de curent măsurate în experimentul anterior. Cu toate acestea, golurile nu au fost prezente la o treime din densitatea critică de curent. Acest lucru a confirmat că formarea golurilor determină creșterea dendritelor.

Oamenii de știință au efectuat apoi calcule computaționale pentru a înțelege cum interacționează litiul cu aceste metale, folosind ceea ce știm despre modul în care tungstenul și aluminiul reacționează la schimbările de energie și temperatură. Ei au demonstrat că straturile de aluminiu au într-adevăr o probabilitate mai mare de a dezvolta goluri atunci când interacționează cu litiul. Utilizarea acestor calcule ar facilita alegerea unui alt tip de metal pentru testare în viitor.

Acest studiu a arătat că bateriile cu electrolit solid sunt mai fiabile atunci când se adaugă un strat metalic subțire între electrolit și anod. Oamenii de știință au demonstrat, de asemenea, că alegerea unui metal în detrimentul altuia, în acest caz tungsten în loc de aluminiu, ar putea face ca bateriile să dureze și mai mult. Îmbunătățirea performanței acestor tipuri de baterii le va aduce cu un pas mai aproape de înlocuirea bateriilor cu electrolit lichid extrem de inflamabile de pe piața actuală.