Uzlādējamās litija jonu baterijas tiek izmantotas, lai mūsu ikdienas dzīvē darbinātu daudzas elektronikas, sākot no klēpjdatoriem un mobilajiem tālruņiem līdz elektriskajām automašīnām.Mūsdienās tirgū piedāvātās litija jonu baterijas parasti paļaujas uz šķidru šķīdumu, ko sauc par elektrolītu, kas atrodas šūnas centrā.

Kad akumulators darbina ierīci, litija joni pārvietojas no negatīvi lādētā gala jeb anoda caur šķidro elektrolītu uz pozitīvi lādēto galu jeb katodu.Kad akumulators tiek uzlādēts, joni plūst otrā virzienā no katoda caur elektrolītu uz anodu.

Litija jonu akumulatoriem, kas paļaujas uz šķidriem elektrolītiem, ir liela drošības problēma: tie var aizdegties, ja tie ir pārlādēti vai rodas īssavienojums.Drošāka alternatīva šķidrajiem elektrolītiem ir izveidot akumulatoru, kas izmanto cietu elektrolītu, lai pārvadātu litija jonus starp anodu un katodu.

Tomēr iepriekšējos pētījumos ir atklāts, ka ciets elektrolīts izraisīja mazus metāliskus veidojumus, ko sauc par dendritiem, kas uz anoda uzkrātos akumulatora uzlādes laikā.Šie dendriti īssavieno akumulatorus ar zemu strāvu, padarot tos nelietojamus.

Dendrīta augšana sākas ar nelielām elektrolīta nepilnībām pie robežas starp elektrolītu un anodu.Zinātnieki Indijā nesen ir atklājuši veidu, kā palēnināt dendrīta augšanu.Pievienojot plānu metāla slāni starp elektrolītu un anodu, tie var apturēt dendritu augšanu anodā.

Zinātnieki izvēlējās izpētīt alumīniju un volframu kā iespējamos metālus, lai izveidotu šo plāno metāla slāni.Tas ir tāpēc, ka ne alumīnijs, ne volframs nesajaucas vai nav sakausējums ar litiju.Zinātnieki uzskatīja, ka tas samazinās litija defektu rašanās iespējamību.Ja izvēlētais metāls sakausētu ar litiju, laika gaitā neliels litija daudzums varētu pārvietoties metāla slānī.Tas litijā atstātu sava veida defektu, ko sauc par tukšumu, kurā pēc tam varētu veidoties dendrīts.

Lai pārbaudītu metāliskā slāņa efektivitāti, tika samontēti trīs veidu akumulatori: viens ar plānu alumīnija slāni starp litija anodu un cieto elektrolītu, viens ar plānu volframa slāni un viens bez metāla slāņa.

Pirms bateriju pārbaudes zinātnieki izmantoja lieljaudas mikroskopu, ko sauc par skenējošu elektronu mikroskopu, lai rūpīgi izpētītu robežu starp anodu un elektrolītu.Viņi redzēja nelielas spraugas un caurumus paraugā bez metāla slāņa, atzīmējot, ka šīs nepilnības, visticamāk, ir dendritu augšanas vietas.Abas baterijas ar alumīnija un volframa slāni izskatījās gludas un nepārtrauktas.

Pirmajā eksperimentā caur katru akumulatoru 24 stundas tika cirkulēta pastāvīga elektriskā strāva.Akumulators bez metāla slāņa radās īssavienojums un sabojājās pirmo 9 stundu laikā, iespējams, dendrīta augšanas dēļ.Šajā sākotnējā eksperimentā neizdevās neviens akumulators ar alumīniju vai volframu.

Lai noteiktu, kurš metāla slānis labāk aptur dendrīta augšanu, tika veikts vēl viens eksperiments tikai ar alumīnija un volframa slāņa paraugiem.Šajā eksperimentā baterijas tika ciklētas, palielinot strāvas blīvumu, sākot no iepriekšējā eksperimentā izmantotās strāvas un katrā solī palielinoties par nelielu daudzumu.

Tika uzskatīts, ka strāvas blīvums, pie kura tika izveidots akumulatora īssavienojums, ir kritiskais strāvas blīvums dendrīta augšanai.Akumulators ar alumīnija slāni sabojājās ar trīs reizes lielāku palaišanas strāvu, un akumulators ar volframa slāni pieļāva vairāk nekā piecas reizes lielāku palaišanas strāvu.Šis eksperiments parāda, ka volframa veiktspēja ir labāka par alumīniju.

Atkal zinātnieki izmantoja skenējošu elektronu mikroskopu, lai pārbaudītu robežu starp anodu un elektrolītu.Viņi redzēja, ka tukšumi sāka veidoties metāla slānī pie divām trešdaļām no kritiskā strāvas blīvuma, kas izmērīts iepriekšējā eksperimentā.Tomēr tukšumi nebija vienā trešdaļā no kritiskā strāvas blīvuma.Tas apstiprināja, ka tukšumu veidošanās veicina dendrīta augšanu.

Pēc tam zinātnieki veica skaitļošanas aprēķinus, lai saprastu, kā litijs mijiedarbojas ar šiem metāliem, izmantojot to, ko mēs zinām par to, kā volframs un alumīnijs reaģē uz enerģijas un temperatūras izmaiņām.Viņi pierādīja, ka alumīnija slāņiem patiešām ir lielāka tukšumu veidošanās iespējamība, mijiedarbojoties ar litiju.Izmantojot šos aprēķinus, būtu vieglāk izvēlēties cita veida metālu, ko turpmāk pārbaudīt.

Šis pētījums parādīja, ka cietā elektrolīta akumulatori ir uzticamāki, ja starp elektrolītu un anodu ir pievienots plāns metāla slānis.Zinātnieki arī pierādīja, ka, izvēloties vienu metālu, nevis citu, šajā gadījumā volframu, nevis alumīniju, baterijas varētu darboties vēl ilgāk.Uzlabojot šo akumulatoru veidu veiktspēju, tie būs soli tuvāk mūsdienu tirgū pieejamo viegli uzliesmojošo šķidrā elektrolīta akumulatoru aizstāšanai.