Az újratölthető lítium-ion akkumulátorokat számos elektronikai eszköz áramellátására használjuk a mindennapi életünkben, a laptopoktól és mobiltelefonoktól kezdve az elektromos autókig. A ma piacon lévő lítium-ion akkumulátorok jellemzően egy folyékony oldaton, az úgynevezett elektroliton alapulnak, amely a cella közepén található.

Amikor az akkumulátor egy eszközt táplál, a lítiumionok a negatív töltésű végről, vagy anódról a folyékony elektroliton keresztül a pozitív töltésű végre, vagy katódra áramlanak. Amikor az akkumulátort töltik, az ionok a másik irányba áramlanak, a katódtól az elektroliton keresztül az anódhoz.

A folyékony elektrolittal működő lítium-ion akkumulátoroknak van egy komoly biztonsági problémájuk: túltöltés vagy rövidzárlat esetén kigyulladhatnak. A folyékony elektrolitok biztonságosabb alternatívája egy olyan akkumulátor építése, amely szilárd elektrolitot használ a lítiumionok anód és katód közötti szállítására.

Korábbi tanulmányok azonban kimutatták, hogy a szilárd elektrolit apró fémes kinövésekhez, úgynevezett dendritekhez vezetett, amelyek az akkumulátor töltése közben az anódon halmozódtak fel. Ezek a dendritek alacsony áramerősségnél rövidzárlatot okoztak az akkumulátorokban, ami használhatatlanná tette azokat.

A dendritek növekedése az elektrolit apró repedéseinél kezdődik, az elektrolit és az anód határán. Indiai tudósok nemrégiben felfedeztek egy módszert a dendritek növekedésének lassítására. Egy vékony fémréteg hozzáadásával az elektrolit és az anód közé megakadályozhatják a dendritek anódba való növekedését.

A tudósok az alumínium és a volfrám tanulmányozását választották, mint lehetséges fémeket ennek a vékony fémrétegnek a felépítéséhez. Ez azért van, mert sem az alumínium, sem a volfrám nem keveredik, illetve nem ötvöződik lítiummal. A tudósok úgy vélték, hogy ez csökkenti a lítiumban keletkező hibák valószínűségét. Ha a kiválasztott fém ötvöződik a lítiummal, kis mennyiségű lítium kerülhet a fémrétegbe idővel. Ez egyfajta hibát, úgynevezett üreget hagy a lítiumban, ahol dendrit alakulhat ki.

A fémréteg hatékonyságának tesztelése érdekében háromféle akkumulátort szereltek össze: az egyikben egy vékony alumíniumréteg volt a lítium anód és a szilárd elektrolit között, a másikban egy vékony volfrámréteg, a harmadikban pedig egyáltalán nem volt fémréteg.

Az akkumulátorok tesztelése előtt a tudósok nagy teljesítményű mikroszkópot, úgynevezett pásztázó elektronmikroszkópot használtak az anód és az elektrolit közötti határfelület alapos vizsgálatára. Kis réseket és lyukakat láttak a fémréteg nélküli mintában, megjegyezve, hogy ezek a hibák valószínűleg dendritek növekedésének helye. Mind az alumínium, mind a volfrám réteggel ellátott akkumulátorok simának és folytonosnak tűntek.

Az első kísérletben állandó elektromos áramot ciklikusan vezettek át minden akkumulátoron 24 órán keresztül. A fémes réteg nélküli akkumulátor rövidzárlatos lett és az első 9 órán belül meghibásodott, valószínűleg dendritnövekedés miatt. Sem az alumíniumot, sem a volfrámot tartalmazó akkumulátorok nem hibásodtak meg ebben a kezdeti kísérletben.

Annak meghatározása érdekében, hogy melyik fémréteg állítja meg jobban a dendritek növekedését, egy másik kísérletet végeztek csak az alumínium és a volfrám réteg mintákon. Ebben a kísérletben az akkumulátorokat növekvő áramsűrűséggel ciklikusan tesztelték, az előző kísérletben használt áramerősséggel kezdve, és minden lépésben kis mértékben növelve az áramerősséget.

Úgy vélték, hogy az akkumulátor rövidzárlatának áramsűrűsége a dendritenövekedés kritikus áramsűrűsége. Az alumíniumréteggel ellátott akkumulátor a bekapcsolási áram háromszorosánál, a volfrámréteggel ellátott akkumulátor pedig több mint ötszörösénél tette tönkre a hibát. Ez a kísérlet azt mutatja, hogy a volfrám jobban teljesített, mint az alumínium.

A tudósok ismét pásztázó elektronmikroszkópot használtak az anód és az elektrolit közötti határfelület vizsgálatára. Azt látták, hogy az előző kísérletben mért kritikus áramsűrűségek kétharmadánál üregek kezdtek kialakulni a fémrétegben. Azonban a kritikus áramsűrűség egyharmadánál már nem voltak üregek. Ez megerősítette, hogy az üregképződés a dendritek növekedésével jár együtt.

A tudósok ezután számítógépes számításokat végeztek, hogy megértsék, hogyan lép kölcsönhatásba a lítium ezekkel a fémekkel, felhasználva azt, amit tudunk arról, hogyan reagál a volfrám és az alumínium az energia- és hőmérsékletváltozásokra. Kimutatták, hogy az alumínium rétegek valóban nagyobb valószínűséggel alakulnak ki üregek, amikor lítiummal kölcsönhatásba lépnek. Ezen számítások használata megkönnyítené egy másik fémtípus kiválasztását a jövőbeni teszteléshez.

Ez a tanulmány kimutatta, hogy a szilárd elektrolitos akkumulátorok megbízhatóbbak, ha egy vékony fémréteget helyeznek az elektrolit és az anód közé. A tudósok azt is kimutatták, hogy az egyik fém kiválasztása a másikkal szemben – jelen esetben a volfrám az alumínium helyett – még hosszabb élettartamot eredményezhet. Az ilyen típusú akkumulátorok teljesítményének javítása egy lépéssel közelebb viszi őket a piacon jelenleg kapható, könnyen gyúlékony folyékony elektrolitos akkumulátorok lecseréléséhez.