Ladattavia litiumioniakkuja käytetään monien elektroniikkalaitteiden virtalähteenä jokapäiväisessä elämässämme kannettavista tietokoneista ja matkapuhelimista sähköautoihin.Nykyään markkinoilla olevat litiumioniakut perustuvat tyypillisesti nestemäiseen liuokseen, jota kutsutaan elektrolyytiksi, kennon keskellä.

Kun akku antaa virtaa laitteeseen, litiumionit siirtyvät negatiivisesti varautuneesta päästä eli anodista nestemäisen elektrolyytin läpi positiivisesti varautuneeseen päähän tai katodiin.Kun akkua ladataan, ionit virtaavat katodilta toiseen suuntaan elektrolyytin kautta anodille.

Nestemäisiin elektrolyytteihin perustuvilla litiumioniakuilla on suuri turvallisuusongelma: ne voivat syttyä tuleen ylilatautuessaan tai oikosulkussa.Turvallisempi vaihtoehto nestemäisille elektrolyyteille on rakentaa akku, joka käyttää kiinteää elektrolyyttiä litiumionien kuljettamiseen anodin ja katodin välillä.

Aiemmissa tutkimuksissa on kuitenkin havaittu, että kiinteä elektrolyytti johti pieniin metallikasveihin, joita kutsutaan dendriiteiksi, jotka kerääntyivät anodille akun latautuessa.Nämä dendriitit oikosulkevat akut alhaisilla virroilla, mikä tekee niistä käyttökelvottomia.

Dendriitin kasvu alkaa elektrolyytin pienistä puutteista elektrolyytin ja anodin välisellä rajalla.Intialaiset tutkijat ovat hiljattain löytäneet tavan hidastaa dendriitin kasvua.Lisäämällä ohuen metallikerroksen elektrolyytin ja anodin väliin ne voivat estää dendriittien kasvun anodin sisään.

Tiedemiehet päättivät tutkia alumiinia ja volframia mahdollisina metalleina rakentaakseen tämän ohuen metallikerroksen.Tämä johtuu siitä, että alumiini tai volframi eivät sekoitu litiumiin tai seosta.Tiedemiehet uskoivat, että tämä pienentäisi litiumin vikojen muodostumisen todennäköisyyttä.Jos valittu metalli seostui litiumiin, pieniä määriä litiumia voisi siirtyä metallikerrokseen ajan myötä.Tämä jättäisi litiumiin eräänlaisen aukon, johon dendriitti voi muodostua.

Metallikerroksen tehokkuuden testaamiseksi koottiin kolmen tyyppisiä akkuja: yhdessä litiumanodin ja kiinteän elektrolyytin välissä oli ohut alumiinikerros, toisessa ohut volframikerros ja toisessa ei metallikerrosta.

Ennen akkujen testaamista tutkijat käyttivät suuritehoista mikroskooppia, jota kutsutaan pyyhkäisyelektronimikroskoopiksi, tarkastellakseen tarkasti anodin ja elektrolyytin välistä rajaa.He näkivät näytteessä pieniä rakoja ja reikiä, joissa ei ollut metallikerrosta, ja huomautti, että nämä puutteet ovat todennäköisiä paikkoja dendriiteille.Sekä alumiini- että volframikerroksiset akut näyttivät sileiltä ja jatkuvilta.

Ensimmäisessä kokeessa jokaisen akun läpi käytettiin jatkuvaa sähkövirtaa 24 tunnin ajan.Akku, jossa ei ollut metallikerrosta, meni oikosulkuun ja epäonnistui ensimmäisten 9 tunnin aikana, mikä johtuu todennäköisesti dendriitin kasvusta.Kumpikaan alumiini- tai volframiakku ei epäonnistunut tässä ensimmäisessä kokeessa.

Sen määrittämiseksi, mikä metallikerros pysäytti paremmin dendriitin kasvun, tehtiin toinen koe vain alumiini- ja volframikerroksen näytteillä.Tässä kokeessa akkuja kierrätettiin kasvavilla virrantiheyksillä alkaen edellisessä kokeessa käytetystä virrasta ja kasvaen pienellä määrällä jokaisessa vaiheessa.

Virtatiheyden, jolla akku oikosuluttiin, uskottiin olevan dendriitin kasvun kriittinen virrantiheys.Alumiinikerroksinen akku epäonnistui kolminkertaisella käynnistysvirralla ja volframikerroksinen akku yli viisinkertaisella käynnistysvirralla.Tämä koe osoittaa, että volframi päihitti alumiinin.

Jälleen tiedemiehet käyttivät pyyhkäisyelektronimikroskooppia tarkastaakseen anodin ja elektrolyytin välistä rajaa.He näkivät, että metallikerrokseen alkoi muodostua onteloita kahdessa kolmasosassa edellisessä kokeessa mitatuista kriittisistä virrantiheyksistä.Onteloita ei kuitenkaan ollut kolmanneksella kriittisestä virrantiheydestä.Tämä vahvisti, että onteloiden muodostuminen edistää dendriitin kasvua.

Tämän jälkeen tutkijat suorittivat laskennallisia laskelmia ymmärtääkseen, kuinka litium on vuorovaikutuksessa näiden metallien kanssa, käyttämällä tietomme siitä, kuinka volframi ja alumiini reagoivat energian ja lämpötilan muutoksiin.He osoittivat, että alumiinikerroksilla on todellakin suurempi todennäköisyys tyhjien muodostumiseen, kun ne ovat vuorovaikutuksessa litiumin kanssa.Näiden laskelmien käyttäminen helpottaisi toisentyyppisen metallin valitsemista testattavaksi tulevaisuudessa.

Tämä tutkimus on osoittanut, että kiinteät elektrolyyttiakut ovat luotettavampia, kun ohut metallikerros lisätään elektrolyytin ja anodin väliin.Tiedemiehet osoittivat myös, että yhden metallin valitseminen toiseen, tässä tapauksessa volframin sijaan alumiinin sijaan, voisi pidentää akkujen käyttöikää.Tällaisten akkutyyppien suorituskyvyn parantaminen tuo ne askeleen lähemmäksi markkinoilla olevien helposti syttyvien nestemäisten elektrolyyttiakkujen korvaamista.