باتری های لیتیوم یون قابل شارژ برای تامین انرژی بسیاری از وسایل الکترونیکی در زندگی روزمره ما از لپ تاپ ها و تلفن های همراه گرفته تا ماشین های الکتریکی استفاده می شوند.باتری های لیتیوم یونی موجود در بازار امروزه معمولاً به محلول مایعی به نام الکترولیت در مرکز سلول متکی هستند.

هنگامی که باتری دستگاه را تغذیه می کند، یون های لیتیوم از انتهای بار منفی یا آند از طریق الکترولیت مایع به انتهای بار مثبت یا کاتد حرکت می کنند.هنگامی که باتری در حال شارژ شدن است، یون ها در جهت دیگر از کاتد، از طریق الکترولیت، به آند جریان می یابند.

باتری های لیتیوم یونی که به الکترولیت های مایع متکی هستند یک مشکل ایمنی عمده دارند: در صورت شارژ بیش از حد یا اتصال کوتاه می توانند آتش بگیرند.جایگزین مطمئن‌تر برای الکترولیت‌های مایع، ساخت باتری است که از الکترولیت جامد برای حمل یون‌های لیتیوم بین آند و کاتد استفاده می‌کند.

با این حال، مطالعات قبلی نشان داده است که یک الکترولیت جامد منجر به رشد کوچک فلزی به نام دندریت می شود که در حین شارژ شدن باتری روی آند تجمع می یابد.این دندریت ها باتری ها را در جریان های کم اتصال کوتاه می کنند و آنها را غیرقابل استفاده می کند.

رشد دندریت با نقص های کوچک در الکترولیت در مرز بین الکترولیت و آند آغاز می شود.دانشمندان هندی اخیرا راهی برای کاهش رشد دندریت کشف کرده اند.با افزودن یک لایه نازک فلزی بین الکترولیت و آند، آنها می توانند از رشد دندریت ها به داخل آند جلوگیری کنند.

دانشمندان برای ساختن این لایه فلزی نازک، آلومینیوم و تنگستن را به عنوان فلزات احتمالی مورد مطالعه قرار دادند.این به این دلیل است که نه آلومینیوم و نه تنگستن، یا آلیاژ با لیتیوم مخلوط نمی شوند.دانشمندان معتقد بودند که این احتمال ایجاد نقص در لیتیوم را کاهش می دهد.اگر فلز انتخاب شده با لیتیوم آلیاژ شود، مقادیر کمی لیتیوم می تواند در طول زمان به لایه فلزی منتقل شود.این باعث ایجاد نوعی نقص به نام حفره در لیتیوم می شود که در آن دندریت می تواند تشکیل شود.

به منظور آزمایش اثربخشی لایه فلزی، سه نوع باتری مونتاژ شدند: یکی با یک لایه نازک آلومینیومی بین آند لیتیوم و الکترولیت جامد، دیگری با یک لایه نازک از تنگستن، و دیگری بدون لایه فلزی.

قبل از آزمایش باتری ها، دانشمندان از یک میکروسکوپ پرقدرت به نام میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده کردند تا مرز بین آند و الکترولیت را از نزدیک ببینند.آنها شکاف ها و سوراخ های کوچکی را در نمونه بدون لایه فلزی دیدند و خاطرنشان کردند که این معایب احتمالاً مکان هایی برای رشد دندریت ها هستند.هر دو باتری با لایه های آلومینیومی و تنگستن صاف و پیوسته به نظر می رسیدند.

در آزمایش اول، یک جریان الکتریکی ثابت به مدت 24 ساعت از هر باتری عبور کرد.باتری بدون لایه فلزی در 9 ساعت اول اتصال کوتاه پیدا کرد و احتمالاً به دلیل رشد دندریت از کار افتاد.هیچ یک از باتری های آلومینیومی یا تنگستن در این آزمایش اولیه شکست نخوردند.

به منظور تعیین اینکه کدام لایه فلزی در متوقف کردن رشد دندریت بهتر است، آزمایش دیگری فقط بر روی نمونه‌های لایه آلومینیوم و تنگستن انجام شد.در این آزمایش، باتری‌ها از طریق افزایش چگالی جریان، از جریان استفاده شده در آزمایش قبلی شروع می‌شوند و در هر مرحله به مقدار کمی افزایش می‌یابند.

اعتقاد بر این بود که چگالی جریانی که در آن باتری در آن اتصال کوتاه برقرار می کند، چگالی جریان بحرانی برای رشد دندریت است.باتری با یک لایه آلومینیومی در سه برابر جریان راه اندازی، و باتری با لایه تنگستن در بیش از پنج برابر جریان شروع از کار افتاد.این آزمایش نشان می دهد که تنگستن از آلومینیوم بهتر عمل می کند.

مجدداً، دانشمندان از یک میکروسکوپ الکترونی روبشی برای بررسی مرز بین آند و الکترولیت استفاده کردند.آنها دیدند که حفره‌ها در لایه فلزی در دو سوم چگالی جریان بحرانی اندازه‌گیری شده در آزمایش قبلی شروع به شکل‌گیری کردند.با این حال، حفره ها در یک سوم چگالی جریان بحرانی وجود نداشتند.این تایید کرد که تشکیل حفره باعث رشد دندریت می شود.

دانشمندان سپس محاسبات محاسباتی را برای درک چگونگی برهمکنش لیتیوم با این فلزات، با استفاده از آنچه می دانیم در مورد چگونگی واکنش تنگستن و آلومینیوم به تغییرات انرژی و دما انجام دادند.آنها نشان دادند که لایه های آلومینیومی در واقع احتمال بیشتری برای ایجاد حفره در هنگام تعامل با لیتیوم دارند.استفاده از این محاسبات انتخاب نوع دیگری از فلز را برای آزمایش در آینده آسان تر می کند.

این مطالعه نشان داده است که باتری های الکترولیت جامد زمانی که یک لایه فلزی نازک بین الکترولیت و آند اضافه شود قابل اعتمادتر هستند.دانشمندان همچنین نشان دادند که انتخاب یک فلز بر فلز دیگر، در این مورد تنگستن به جای آلومینیوم، می تواند باتری ها را حتی بیشتر دوام بیاورد.بهبود عملکرد این نوع باتری ها آنها را یک قدم به جایگزینی باتری های الکترولیت مایع بسیار قابل اشتعال در بازار امروز نزدیک می کند.