Uppladdningsbara litiumjonbatterier används för att driva många elektronikprodukter i vår vardag, från bärbara datorer och mobiltelefoner till elbilar. Litiumjonbatterierna på marknaden idag använder vanligtvis en flytande lösning, kallad 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, rör sig jonerna i motsatt riktning från katoden, genom elektrolyten till anoden.

Litiumjonbatterier som använder flytande elektrolyter har ett stort säkerhetsproblem: de kan fatta eld om 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.

Tidigare studier har dock visat att en fast elektrolyt ledde till små metalliska utväxter, kallade dendriter, som byggdes upp på anoden medan batteriet laddades. Dessa dendriter kortsluter batterierna vid låg strömstyrka, vilket gör dem oanvändbara.

Dendrittillväxt börjar vid små sprickor i elektrolyten vid gränsen mellan elektrolyt och anod. Forskare i Indien har nyligen upptäckt ett sätt att bromsa dendrittillväxten. Genom att lägga till ett tunt metalllager 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 blandas med, eller legeras med, litium. Forskarna trodde att detta skulle minska sannolikheten för att det skulle bildas sprickor i litiumet. Om den valda metallen legerades med litium skulle små mängder litium kunna röra sig in i metallskiktet med tiden. Detta skulle lämna en typ av spricka som kallas ett tomrum i litiumet där en dendrit sedan skulle kunna bildas.

För att testa metallskiktets effektivitet monterades tre typer av batterier: ett med ett tunt lager aluminium mellan litiumanoden och den fasta elektrolyten, ett med ett tunt lager volfram och ett utan metallskikt.

Innan batterierna testades använde forskarna ett kraftfullt mikroskop, kallat svepelektronmikroskop, för att noggrant undersöka gränsen mellan anod och elektrolyt. De såg små mellanrum och hål i provet utan metallskikt, vilket noterade att dessa defekter sannolikt är platser där dendriter kan växa. Både batterierna med aluminium- och volframskikt såg släta och kontinuerliga ut.

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

För att avgöra vilket metalllager som var bättre på att stoppa dendrittillväxt utfördes ett annat experiment på endast proverna av aluminium- och volframlager. I detta experiment cyklades batterierna genom ökande strömtätheter, med början vid den ström som användes i föregående experiment och ökande med en liten mängd i varje steg.

Strömtätheten vid vilken batteriet kortslöts ansågs vara den kritiska strömtätheten för dendrittillväxt. Batteriet med ett aluminiumlager slutade fungera vid tre gånger startströmmen, och batteriet med ett volframlager slutade fungera vid över fem gånger startströmmen. Detta experiment visar att volfram presterade bättre än aluminium.

Återigen använde forskarna ett svepelektronmikroskop för att inspektera gränsen mellan anod och elektrolyt. De såg att hålrum började bildas i metallskiktet vid två tredjedelar av de kritiska strömtätheterna som mättes i det föregående experimentet. Däremot fanns inga hålrum vid en tredjedel av den kritiska strömtätheten. Detta bekräftade att hålrumsbildning faktiskt leder till dendrittillväxt.

Forskarna utförde 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 aluminiumlager faktiskt har en högre sannolikhet för att utveckla hålrum 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 batterier med fast elektrolyt är mer tillförlitliga när ett tunt metalllager läggs mellan elektrolyt och anod. Forskarna visade också att om man väljer en metall framför en annan, i detta fall volfram istället för aluminium, kan batterierna hålla ännu längre. Att förbättra prestandan hos dessa typer av batterier kommer att föra dem ett steg närmare att ersätta de mycket brandfarliga flytande elektrolytbatterierna som finns på marknaden idag.