Az újratölthető lítium-ion akkumulátorokat mindennapi életünk során számos elektronikai eszköz táplálására használják, a laptopoktól és mobiltelefonoktól az elektromos autókig.A ma forgalomban lévő lítium-ion akkumulátorok jellemzően egy folyékony oldatra, az úgynevezett elektrolitra támaszkodnak a cella közepén.

Amikor az akkumulátor táplál egy eszközt, a lítium-ionok a negatív töltésű végről vagy anódról a folyékony elektroliton keresztül a pozitív töltésű végre vagy katódra mozognak.Az akkumulátor feltöltésekor az ionok a másik irányba áramlanak a katódtól, az elektroliton keresztül az anódhoz.

A folyékony elektrolitokra támaszkodó lítium-ion akkumulátoroknak van egy nagy biztonsági problémájuk: túltöltés vagy rövidzárlat esetén meggyulladhatnak.A folyékony elektrolitok biztonságosabb alternatívája egy olyan akkumulátor építése, amely szilárd elektrolitot használ a lítiumionok szállítására az anód és a katód között.

Korábbi tanulmányok azonban azt találták, hogy a szilárd elektrolit kis fémes növedékekhez, úgynevezett dendritekhez vezetett, amelyek az akkumulátor töltése közben felhalmozódtak az anódon.Ezek a dendritek alacsony áramerősséggel rövidre zárják az akkumulátorokat, így használhatatlanok.

A dendritnövekedés az elektrolit kis hibáinál kezdődik az elektrolit és az anód határán.Az indiai tudósok nemrégiben felfedezték a dendrit növekedésének lassításának módját.Az elektrolit és az anód közé vékony fémréteg hozzáadásával megakadályozzák, hogy a dendritek benőjenek az anódba.

A tudósok úgy döntöttek, hogy az alumíniumot és a volfrámot mint lehetséges fémet tanulmányozzák ennek a vékony fémrétegnek a felépítéséhez.Ennek az az oka, hogy sem az alumínium, sem a volfrám nem keveredik vagy ötvözik lítiummal.A tudósok úgy vélték, hogy ez csökkenti a lítiumban lévő hibák kialakulásának valószínűségét.Ha a kiválasztott fém lítiummal ötvöződik, idővel kis mennyiségű lítium kerülhet a fémrétegbe.Ez egyfajta űrt hagyna a lítiumban, ahol dendrit képződhet.

A fémréteg hatékonyságának tesztelésére háromféle akkumulátort állítottak össze: egy vékony alumíniumréteggel a lítium anód és a szilárd elektrolit között, egy vékony volfrámréteggel és egy nem fémréteggel.

Az akkumulátorok tesztelése előtt a tudósok egy nagy teljesítményű mikroszkópot, úgynevezett pásztázó elektronmikroszkópot használtak, hogy alaposan megvizsgálják az anód és az elektrolit közötti határvonalat.Kis hézagokat és lyukakat láttak a mintában, fémréteg nélkül, megjegyezve, hogy ezek a hibák valószínűleg a dendritek növekedési helyei.Mind az alumínium, mind a wolfram rétegű akkumulátorok simának és folyamatosnak tűntek.

Az első kísérletben állandó elektromos áramot vezettek át minden akkumulátoron 24 órán keresztül.A fémréteg nélküli akkumulátor rövidzárlatos és meghibásodott az első 9 órában, valószínűleg a dendrit növekedése miatt.Ebben a kezdeti kísérletben sem alumínium, sem volfrám akkumulátor nem vallott kudarcot.

Annak meghatározására, hogy melyik fémréteg gátolja meg jobban a dendrit növekedését, egy másik kísérletet végeztek csak az alumínium és a wolfram rétegmintákon.Ebben a kísérletben az akkumulátorokat növekvő áramsűrűség mellett forgatták, az előző kísérletben használt áramtól kezdve, és minden lépésben kis mértékben növelték.

Úgy vélték, hogy az áramsűrűség, amelynél az akkumulátor rövidre zárt, a kritikus áramsűrűség a dendrit növekedéséhez.Az alumíniumrétegű akkumulátor az indítóáram háromszorosánál, a wolframrétegű akkumulátor pedig az indítási áram több mint ötszörösénél.Ez a kísérlet azt mutatja, hogy a wolfram jobban teljesített, mint az alumínium.

A tudósok ismét pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgálták az anód és az elektrolit határvonalát.Látták, hogy a fémrétegben az előző kísérletben mért kritikus áramsűrűség kétharmadánál kezdtek üregek kialakulni.Az üregek azonban a kritikus áramsűrűség egyharmadánál nem voltak jelen.Ez megerősítette, hogy az üregképződés folytatja a dendrit növekedését.

A tudósok ezután számítási számításokat végeztek, hogy megértsék, hogyan lép kölcsönhatásba a lítium ezekkel a fémekkel, felhasználva azt, amit tudunk arról, hogy a volfrám és az alumínium hogyan reagál az energia- és hőmérsékletváltozásokra.Bebizonyították, hogy az alumíniumrétegekben valóban nagyobb a valószínűsége annak, hogy üregek képződnek, amikor lítiummal kölcsönhatásba lépnek.Ezeknek a számításoknak a használata megkönnyítené más típusú fém kiválasztását a jövőbeni tesztelésre.

Ez a tanulmány kimutatta, hogy a szilárd elektrolit akkumulátorok megbízhatóbbak, ha vékony fémréteget adnak az elektrolit és az anód közé.A tudósok azt is bebizonyították, hogy ha az egyik fémet választják a másik helyett, ebben az esetben az alumínium helyett volfrámot, az akkumulátorok élettartama még hosszabb lehet.Az ilyen típusú akkumulátorok teljesítményének javítása egy lépéssel közelebb viszi őket ahhoz, hogy lecseréljék a ma forgalomban lévő, erősen gyúlékony folyékony elektrolit akkumulátorokat.