Akumulatory litowo-jonowe służą do zasilania wielu urządzeń elektronicznych codziennego użytku, od laptopów i telefonów komórkowych po samochody elektryczne. Dostępne obecnie na rynku akumulatory litowo-jonowe zazwyczaj wykorzystują płynny roztwór, zwany elektrolitem, znajdujący się w środku ogniwa.

Gdy bateria zasila urządzenie, jony litu przemieszczają się od ujemnie naładowanego końca, czyli anody, przez ciekły elektrolit do dodatnio naładowanego końca, czyli katody. Podczas ładowania baterii jony przepływają w przeciwnym kierunku – od katody, przez elektrolit, do anody.

Akumulatory litowo-jonowe wykorzystujące ciekłe elektrolity stwarzają poważne zagrożenie bezpieczeństwa: mogą się zapalić w przypadku przeładowania lub zwarcia. Bezpieczniejszą alternatywą dla ciekłych elektrolitów jest zbudowanie akumulatora wykorzystującego stały elektrolit do przenoszenia jonów litu między anodą a katodą.

Jednak wcześniejsze badania wykazały, że stały elektrolit powodował powstawanie małych metalicznych narośli, zwanych dendrytami, które gromadziły się na anodzie podczas ładowania akumulatora. Dendryty te powodują zwarcie akumulatora przy niskim natężeniu prądu, uniemożliwiając jego użycie.

Wzrost dendrytów rozpoczyna się w małych ubytkach w elektrolicie na granicy między elektrolitem a anodą. Naukowcy z Indii odkryli niedawno sposób na spowolnienie wzrostu dendrytów. Dodając cienką warstwę metalu między elektrolitem a anodą, mogą zapobiec wzrostowi dendrytów w anodzie.

Naukowcy wybrali aluminium i wolfram jako potencjalne metale do budowy tej cienkiej warstwy metalicznej. Wynikało to z faktu, że ani aluminium, ani wolfram nie mieszają się z litem ani nie są jego stopem. Naukowcy uważali, że zmniejszy to prawdopodobieństwo powstawania skaz w licie. Gdyby wybrany metal stopił się z litem, niewielkie ilości litu mogłyby z czasem przedostać się do warstwy metalicznej. To pozostawiłoby w litowej warstwie skazę zwaną pustką, w której mógłby utworzyć się dendryt.

Aby przetestować skuteczność warstwy metalicznej, zmontowano trzy rodzaje baterii: jedną z cienką warstwą aluminium pomiędzy anodą litową a stałym elektrolitem, jedną z cienką warstwą wolframu i jedną bez warstwy metalicznej.

Przed testowaniem baterii naukowcy użyli mikroskopu skaningowego o dużej mocy, zwanego mikroskopem elektronowym, aby dokładnie przyjrzeć się granicy między anodą a elektrolitem. Zauważyli małe szczeliny i dziury w próbce bez warstwy metalicznej, zauważając, że te wady są prawdopodobnymi miejscami wzrostu dendrytów. Obie baterie z warstwami aluminium i wolframu wyglądały na gładkie i ciągłe.

W pierwszym eksperymencie przez każdy akumulator przepływał stały prąd elektryczny przez 24 godziny. Akumulator bez warstwy metalicznej uległ zwarciu i awarii w ciągu pierwszych 9 godzin, prawdopodobnie z powodu rozrostu dendrytów. W tym wstępnym eksperymencie nie zawiódł ani akumulator aluminiowy, ani wolframowy.

Aby określić, która warstwa metalu lepiej hamuje wzrost dendrytów, przeprowadzono kolejny eksperyment, wykorzystując wyłącznie próbki z warstwą aluminium i wolframu. W tym eksperymencie akumulatory poddawano cyklom o rosnącej gęstości prądu, zaczynając od prądu użytego w poprzednim eksperymencie i zwiększając go o niewielką wartość na każdym etapie.

Gęstość prądu, przy której nastąpiło zwarcie akumulatora, uznano za krytyczną gęstość prądu dla wzrostu dendrytów. Akumulator z warstwą aluminium uległ awarii przy prądzie rozruchowym trzykrotnie większym niż prąd rozruchowy, a akumulator z warstwą wolframu uległ awarii przy prądzie rozruchowym ponad pięciokrotnie większym niż prąd rozruchowy. Ten eksperyment pokazuje, że wolfram miał lepsze wyniki niż aluminium.

Naukowcy ponownie użyli skaningowego mikroskopu elektronowego do zbadania granicy między anodą a elektrolitem. Zaobserwowali, że puste przestrzenie zaczęły się formować w warstwie metalu przy dwóch trzecich krytycznej gęstości prądu zmierzonej w poprzednim eksperymencie. Jednak puste przestrzenie nie występowały przy jednej trzeciej krytycznej gęstości prądu. Potwierdziło to, że formowanie się pustych przestrzeni rzeczywiście poprzedza wzrost dendrytów.

Następnie naukowcy przeprowadzili obliczenia komputerowe, aby zrozumieć interakcje litu z tymi metalami, wykorzystując naszą wiedzę o tym, jak wolfram i aluminium reagują na zmiany energii i temperatury. Wykazali, że warstwy aluminium rzeczywiście charakteryzują się większym prawdopodobieństwem powstawania pustych przestrzeni podczas interakcji z litem. Wykorzystanie tych obliczeń ułatwiłoby wybór innego rodzaju metalu do przyszłych badań.

Badanie wykazało, że akumulatory ze stałym elektrolitem są bardziej niezawodne, gdy pomiędzy elektrolitem a anodą znajduje się cienka warstwa metalu. Naukowcy wykazali również, że wybór jednego metalu zamiast innego, w tym przypadku wolframu zamiast aluminium, może wydłużyć żywotność akumulatorów. Poprawa wydajności tego typu akumulatorów przybliży je o krok do zastąpienia obecnie dostępnych na rynku wysoce łatwopalnych akumulatorów z ciekłym elektrolitem.