Uppladdningsbara litiumjonbatterier används för att driva många elektronik i vår vardag, från bärbara datorer och mobiltelefoner till elbilar.Litiumjonbatterierna på marknaden idag förlitar sig vanligtvis på en flytande lösning, kallad en elektrolyt, i mitten av cellen.

När batteriet driver en enhet, rör sig litiumjoner från den negativt laddade änden, eller anoden, genom den flytande elektrolyten, till den positivt laddade änden, eller katoden.När batteriet laddas strömmar jonerna åt andra hållet från katoden, genom elektrolyten, till anoden.

Litiumjonbatterier som är beroende av flytande elektrolyter har ett stort säkerhetsproblem: de kan fatta eld när de överladdas eller kortsluts.Ett säkrare alternativ till flytande elektrolyter är att bygga ett batteri som använder en fast elektrolyt för att transportera litiumjoner mellan anoden och katoden.

Men tidigare studier har funnit att en fast elektrolyt ledde till små metalliska tillväxter, kallade dendriter, som skulle byggas upp på anoden medan batteriet laddades.Dessa dendriter kortsluter batterierna vid låga strömmar, vilket gör dem oanvändbara.

Dendrittillväxt börjar vid små skavanker i elektrolyten vid gränsen mellan elektrolyt och anod.Forskare i Indien har nyligen upptäckt ett sätt att bromsa dendrittillväxt.Genom att lägga till ett tunt metallskikt mellan elektrolyt och anod kan de stoppa dendriter från att växa in i anoden.

Forskarna valde att studera aluminium och volfram som möjliga metaller för att bygga detta tunna metallskikt.Detta beror på att varken aluminium eller volfram blandar, eller legerar, med litium.Forskarna trodde att detta skulle minska sannolikheten för att defekter bildas i litiumet.Om den valda metallen legerade med litium, kunde små mängder litium flytta in i metallskiktet med tiden.Detta skulle lämna en typ av brist som kallas ett tomrum i litiumet där en dendrit sedan kan bildas.

För att testa effektiviteten hos metallskiktet monterades tre typer av batterier: en med ett tunt skikt av aluminium mellan litiumanod och den fasta elektrolyten, en med ett tunt skikt av volfram och en utan metallskikt.

Innan de testade batterierna använde forskarna ett högeffektmikroskop, ett så kallat svepelektronmikroskop, för att titta närmare på gränsen mellan anod och elektrolyt.De såg små luckor och hål i provet utan metallskikt, och noterade att dessa brister troligen är platser för dendriter att växa.Både batterierna med aluminium- och volframlager såg släta och kontinuerliga ut.

I det första experimentet cirkulerade en konstant elektrisk ström genom varje batteri i 24 timmar.Batteriet utan metallskikt kortslutning och misslyckades inom de första 9 timmarna, troligen på grund av dendrittillväxt.Varken batteri med aluminium eller volfram misslyckades i detta första experiment.

För att avgöra vilket metallskikt som var bättre på att stoppa dendrittillväxt, utfördes ytterligare ett experiment på bara proverna av aluminium och volframskikt.I detta experiment cyklades batterierna genom ökande strömtätheter, med början vid strömmen som användes i föregående experiment och ökade med en liten mängd vid varje steg.

Strömtätheten vid vilken batteriet kortslutes antogs vara den kritiska strömtätheten för dendrittillväxt.Batteriet med ett aluminiumskikt gick sönder vid tre gånger startströmmen, och batteriet med ett volframskikt misslyckades vid över fem gånger startströmmen.Detta experiment visar att volfram överträffade aluminium.

Återigen använde forskarna ett svepelektronmikroskop för att inspektera gränsen mellan anod och elektrolyt.De såg att tomrum började bildas i metallskiktet vid två tredjedelar av de kritiska strömtätheter som uppmätts i föregående experiment.Emellertid fanns inte tomrum vid en tredjedel av den kritiska strömtätheten.Detta bekräftade att tomrumsbildningen fortsätter dendrittillväxt.

Forskarna körde sedan beräkningar för att förstå hur litium interagerar med dessa metaller, med hjälp av vad vi vet om hur volfram och aluminium reagerar på energi- och temperaturförändringar.De visade att aluminiumskikt verkligen har en högre sannolikhet för utveckling av tomrum när de interagerar med litium.Att använda dessa beräkningar skulle göra det lättare att välja en annan typ av metall att testa i framtiden.

Denna studie har visat att solida elektrolytbatterier är mer tillförlitliga när ett tunt metallskikt läggs mellan elektrolyt och anod.Forskarna visade också att om man väljer en metall framför en annan, i det här fallet volfram istället för aluminium, kan batterierna hålla ännu längre.Genom att förbättra prestandan hos dessa typer av batterier kommer de ett steg närmare att ersätta de mycket brandfarliga flytande elektrolytbatterier som finns på marknaden idag.