باتری‌های لیتیوم-یونی قابل شارژ برای تأمین انرژی بسیاری از وسایل الکترونیکی در زندگی روزمره ما، از لپ‌تاپ‌ها و تلفن‌های همراه گرفته تا خودروهای برقی، استفاده می‌شوند. باتری‌های لیتیوم-یونی موجود در بازار امروزی معمولاً به یک محلول مایع به نام الکترولیت در مرکز سلول متکی هستند.

وقتی باتری در حال تأمین انرژی یک دستگاه است، یون‌های لیتیوم از انتهای دارای بار منفی یا آند، از طریق الکترولیت مایع به انتهای دارای بار مثبت یا کاتد حرکت می‌کنند. وقتی باتری در حال شارژ شدن است، یون‌ها در جهت مخالف از کاتد، از طریق الکترولیت، به آند جریان می‌یابند.

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

با این حال، مطالعات قبلی نشان داده‌اند که الکترولیت جامد منجر به رشدهای فلزی کوچکی به نام دندریت می‌شود که در حین شارژ باتری روی آند جمع می‌شوند. این دندریت‌ها در جریان‌های کم، باتری‌ها را اتصال کوتاه می‌کنند و آنها را غیرقابل استفاده می‌کنند.

رشد دندریت‌ها از شکاف‌های کوچک در الکترولیت در مرز بین الکترولیت و آند آغاز می‌شود. دانشمندان در هند اخیراً راهی برای کند کردن رشد دندریت‌ها کشف کرده‌اند. با افزودن یک لایه فلزی نازک بین الکترولیت و آند، می‌توانند از رشد دندریت‌ها به سمت آند جلوگیری کنند.

دانشمندان تصمیم گرفتند آلومینیوم و تنگستن را به عنوان فلزات احتمالی برای ساخت این لایه فلزی نازک مطالعه کنند. دلیل این امر این است که نه آلومینیوم و نه تنگستن با لیتیوم مخلوط یا آلیاژ نمی‌شوند. دانشمندان معتقد بودند که این امر احتمال ایجاد نقص در لیتیوم را کاهش می‌دهد. اگر فلز انتخاب شده با لیتیوم آلیاژ شود، مقادیر کمی از لیتیوم می‌تواند به مرور زمان به لایه فلزی منتقل شود. این امر نوعی نقص به نام حفره در لیتیوم ایجاد می‌کند که در آن یک دندریت می‌تواند تشکیل شود.

برای آزمایش اثربخشی لایه فلزی، سه نوع باتری مونتاژ شد: یکی با یک لایه نازک آلومینیوم بین آند لیتیوم و الکترولیت جامد، یکی با یک لایه نازک تنگستن و دیگری بدون لایه فلزی.

دانشمندان قبل از آزمایش باتری‌ها، از یک میکروسکوپ پرقدرت به نام میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده کردند تا مرز بین آند و الکترولیت را از نزدیک بررسی کنند. آن‌ها شکاف‌ها و سوراخ‌های کوچکی را در نمونه بدون لایه فلزی مشاهده کردند و خاطرنشان کردند که این نقص‌ها احتمالاً مکان‌هایی برای رشد دندریت‌ها هستند. هر دو باتری با لایه‌های آلومینیومی و تنگستن صاف و پیوسته به نظر می‌رسیدند.

در آزمایش اول، یک جریان الکتریکی ثابت به مدت ۲۴ ساعت از هر باتری عبور داده شد. باتری بدون لایه فلزی در ۹ ساعت اول دچار اتصال کوتاه شد و از کار افتاد، احتمالاً به دلیل رشد دندریت. هیچ یک از باتری‌های دارای آلومینیوم یا تنگستن در این آزمایش اولیه از کار نیفتادند.

برای تعیین اینکه کدام لایه فلزی در متوقف کردن رشد دندریت بهتر عمل می‌کند، آزمایش دیگری فقط روی نمونه‌های لایه آلومینیوم و تنگستن انجام شد. در این آزمایش، باتری‌ها با افزایش چگالی جریان، از جریان مورد استفاده در آزمایش قبلی شروع شده و در هر مرحله مقدار کمی افزایش یافتند.

چگالی جریانی که در آن باتری اتصال کوتاه می‌شود، چگالی جریان بحرانی برای رشد دندریت‌ها در نظر گرفته شد. باتری با لایه آلومینیومی در جریانی سه برابر جریان اولیه و باتری با لایه تنگستن در جریانی بیش از پنج برابر جریان اولیه دچار شکست شدند. این آزمایش نشان می‌دهد که تنگستن عملکرد بهتری نسبت به آلومینیوم دارد.

دانشمندان دوباره از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای بررسی مرز بین آند و الکترولیت استفاده کردند. آنها مشاهده کردند که حفره‌ها در دو سوم چگالی جریان بحرانی اندازه‌گیری شده در آزمایش قبلی، شروع به تشکیل در لایه فلزی کردند. با این حال، در یک سوم چگالی جریان بحرانی، حفره‌ای وجود نداشت. این امر تأیید کرد که تشکیل حفره، رشد دندریت را تسریع می‌کند.

دانشمندان سپس با استفاده از آنچه در مورد چگونگی واکنش تنگستن و آلومینیوم به تغییرات انرژی و دما می‌دانیم، محاسبات محاسباتی را برای درک چگونگی برهمکنش لیتیوم با این فلزات انجام دادند. آنها نشان دادند که لایه‌های آلومینیوم در واقع احتمال بیشتری برای ایجاد حفره‌ها هنگام برهمکنش با لیتیوم دارند. استفاده از این محاسبات، انتخاب نوع دیگری از فلز را برای آزمایش در آینده آسان‌تر می‌کند.

این مطالعه نشان داده است که باتری‌های الکترولیت جامد وقتی یک لایه فلزی نازک بین الکترولیت و آند اضافه می‌شود، قابل اعتمادتر هستند. دانشمندان همچنین نشان دادند که انتخاب یک فلز به جای فلز دیگر، در این مورد تنگستن به جای آلومینیوم، می‌تواند عمر باتری‌ها را حتی بیشتر کند. بهبود عملکرد این نوع باتری‌ها، آنها را یک قدم به جایگزینی باتری‌های الکترولیت مایع بسیار قابل اشتعال موجود در بازار امروز نزدیک‌تر می‌کند.