Uzlādējamās litija jonu baterijas tiek izmantotas, lai darbinātu daudzas elektroniskās ierīces mūsu ikdienas dzīvē, sākot no klēpjdatoriem un mobilajiem tālruņiem līdz pat elektroautomobiļiem. Mūsdienās tirgū pieejamās litija jonu baterijas parasti balstās 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 pretējā virzienā no katoda caur elektrolītu uz anodu.

Litija jonu akumulatoriem, kas darbojas ar šķidru elektrolītu, ir nopietna drošības problēma: tie var aizdegties, ja tiek pārlādēti vai rodas īsslēgums. Drošāka alternatīva šķidrajiem elektrolītiem ir izveidot akumulatoru, kas litija jonu pārnēsāšanai starp anodu un katodu izmanto cietu elektrolītu.

Tomēr iepriekšējos pētījumos ir atklāts, ka ciets elektrolīts izraisīja nelielu metālisku izaugumu, ko sauc par dendrītiem, veidošanos uz anoda akumulatora uzlādes laikā. Šie dendrīti pie zemas strāvas rada īssavienojumu akumulatoros, padarot tos nelietojamus.

Dendrītu augšana sākas pie nelieliem elektrolīta plaisām uz robežas starp elektrolītu un anodu. Indijas zinātnieki nesen ir atklājuši veidu, kā palēnināt dendrītu augšanu. Pievienojot plānu metāla slāni starp elektrolītu un anodu, viņi var apturēt dendrītu augšanu anodā.

Zinātnieki izvēlējās pētīt alumīniju un volframu kā iespējamos metālus šī plānā metāla slāņa veidošanai. Tas ir tāpēc, ka ne alumīnijs, ne volframs nesajaucas jeb nesakausē litiju. Zinātnieki uzskatīja, ka tas samazinātu litija defektu veidošanās iespējamību. Ja izvēlētais metāls sakausētos ar litiju, neliels litija daudzums laika gaitā varētu iekļūt metāla slānī. Tas litijā atstātu sava veida defektu, ko sauc par tukšumu, kur varētu veidoties dendrīts.

Lai pārbaudītu metāla slāņa efektivitāti, tika salikti 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 testēšanas zinātnieki izmantoja jaudīgu mikroskopu, ko sauc par skenējošo elektronmikroskopu, lai rūpīgi apskatītu anoda un elektrolīta robežu. Viņi paraugā bez metāla slāņa saskatīja nelielas spraugas un caurumus, norādot, ka šie defekti, visticamāk, ir vietas, kur aug dendrīti. Gan baterijas ar alumīnija, gan volframa slāņiem izskatījās gludas un nepārtrauktas.

Pirmajā eksperimentā katrā akumulatorā 24 stundas tika cikliski laista nepārtraukta elektriskā strāva. Akumulators bez metāla slāņa pirmo 9 stundu laikā izraisīja īsslēgumu un pārstāja darboties, iespējams, dendrītu augšanas dēļ. Neviens no akumulatoriem ar alumīniju vai volframu šajā sākotnējā eksperimentā neizdevās.

Lai noteiktu, kurš metāla slānis labāk apturēja dendrītu augšanu, tika veikts vēl viens eksperiments tikai ar alumīnija un volframa slāņa paraugiem. Šajā eksperimentā baterijas tika cikliski pakļautas pieaugoša strāvas blīvuma svārstībām, sākot ar iepriekšējā eksperimentā izmantoto strāvu un katrā solī nedaudz palielinot to.

Tika uzskatīts, ka strāvas blīvums, pie kura akumulators izraisīja īsslēgumu, ir kritiskais strāvas blīvums dendrītu augšanai. Akumulators ar alumīnija slāni pārstāja darboties pie trīs reizes lielākas sākuma strāvas, bet akumulators ar volframa slāni pārstāja darboties pie vairāk nekā piecas reizes lielākas sākuma strāvas. Šis eksperiments parāda, ka volframs pārspēja alumīniju.

Atkal zinātnieki izmantoja skenējošo elektronu mikroskopu, lai pārbaudītu robežu starp anodu un elektrolītu. Viņi redzēja, ka metāla slānī sāka veidoties tukšumi jau divās trešdaļās no iepriekšējā eksperimentā izmērītā kritiskā strāvas blīvuma. Tomēr tukšumu nebija jau vienā trešdaļā no kritiskā strāvas blīvuma. Tas apstiprināja, ka tukšumu veidošanās notiek dendrītu augšanas gaitā.

Pēc tam zinātnieki veica aprēķinus, lai saprastu, kā litijs mijiedarbojas ar šiem metāliem, izmantojot mūsu zināšanas par to, kā volframs un alumīnijs reaģē uz enerģijas un temperatūras izmaiņām. Viņi pierādīja, ka alumīnija slāņiem, mijiedarbojoties ar litiju, patiešām ir lielāka tukšumu veidošanās iespējamība. Šo aprēķinu izmantošana nākotnē atvieglotu cita metāla veida izvēli testēšanai.

Šis pētījums ir parādījis, ka cietā elektrolīta akumulatori ir uzticamāki, ja starp elektrolītu un anodu tiek pievienots plāns metāla slānis. Zinātnieki arī pierādīja, ka viena metāla izvēle cita vietā, šajā gadījumā volframa, nevis alumīnija, varētu pagarināt akumulatoru kalpošanas laiku. Šāda veida akumulatoru veiktspējas uzlabošana tos pietuvinās tirgū pieejamo viegli uzliesmojošo šķidrā elektrolīta akumulatoru aizstāšanai.