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

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

Nestemäisiä elektrolyyttejä käyttävillä litiumioniakuilla on merkittävä turvallisuusongelma: ne voivat syttyä tuleen ylilatauksen tai oikosulun seurauksena. Turvallisempi vaihtoehto nestemäisille elektrolyyteille on rakentaa akku, joka käyttää kiinteää elektrolyyttiä litiumionien kuljettamiseen anodin ja katodin välillä.

Aiemmat tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että kiinteä elektrolyytti johti pieniin metallisiin kasvustoihin, joita kutsutaan dendriiteiksi, jotka kerääntyivät anodille akun latauksen aikana. Nämä dendriitit oikosulkevat akut pienillä virroilla, mikä tekee niistä käyttökelvottomia.

Dendriittien kasvu alkaa elektrolyytin pienistä vaurioista elektrolyytin ja anodin rajalla. Intialaiset tutkijat ovat äskettäin löytäneet tavan hidastaa dendriittien kasvua. Lisäämällä ohuen metallikerroksen elektrolyytin ja anodin väliin he voivat estää dendriittien kasvun anodiin.

Tutkijat päättivät tutkia alumiinia ja volframia mahdollisina metalleina tämän ohuen metallikerroksen rakentamiseen. Tämä johtuu siitä, että alumiini ja volframi eivät kumpikaan sekoitu litiumin kanssa. Tutkijat uskoivat, että tämä vähentäisi litiumiin muodostuvien virheiden todennäköisyyttä. Jos valittu metalli seostuisi litiumin kanssa, pieniä määriä litiumia voisi siirtyä metallikerrokseen ajan myötä. Tämä jättäisi litiumiin eräänlaisen virheen, jota kutsutaan tyhjiöksi, johon voisi muodostua dendriitti.

Metallikerroksen tehokkuuden testaamiseksi koottiin kolmenlaisia ​​akkuja: yksi, jossa oli ohut alumiinikerros litiumanodin ja kiinteän elektrolyytin välissä, yksi ohut volframikerros ja yksi ilman metallikerrosta.

Ennen akkujen testaamista tutkijat käyttivät tehokasta pyyhkäisyelektronimikroskoopiksi kutsuttua mikroskooppia anodin ja elektrolyytin välisen rajapinnan tarkkaan tarkastelemiseen. He havaitsivat pieniä rakoja ja reikiä näytteessä, jossa ei ollut metallikerrosta, mikä osoitti, että nämä viat ovat todennäköisesti dendriittien kasvupaikkoja. Sekä alumiini- että volframikerroksella varustetut akut näyttivät sileiltä ja yhtenäisiltä.

Ensimmäisessä kokeessa jokaisen akun läpi johdettiin vakiosähkövirtaa 24 tunnin ajan. Metallikerrosta vailla oleva akku oikosulkuun meni ja vikaantui ensimmäisten 9 tunnin aikana, todennäköisesti dendriittien kasvun vuoksi. Kumpikaan alumiini- tai volframiakku ei vikaantunut tässä ensimmäisessä kokeessa.

Jotta voitaisiin määrittää, kumpi metallikerros pysäytti dendriittien kasvun paremmin, suoritettiin toinen koe vain alumiini- ja volframikerrosnäytteillä. Tässä kokeessa paristoja kierrätettiin kasvavien virrantiheyksien läpi aloittaen edellisessä kokeessa käytetystä virrasta ja lisäämällä sitä pienellä määrällä jokaisessa vaiheessa.

Akun oikosulun aiheuttavan virrantiheyden uskottiin olevan kriittinen virrantiheys dendriittien kasvulle. Alumiinikerroksella varustettu akku vikaantui kolminkertaisella käynnistysvirralla ja volframikerroksella varustettu akku yli viisinkertaisella käynnistysvirralla. Tämä koe osoittaa, että volframi suoriutui alumiinia paremmin.

Jälleen kerran tutkijat käyttivät pyyhkäisyelektronimikroskooppia tutkiakseen anodin ja elektrolyytin välistä rajapintaa. He havaitsivat, että metallikerrokseen alkoi muodostua tyhjiä tiloja kahden kolmasosan kohdalla edellisessä kokeessa mitatuista kriittisistä virrantiheyksistä. Tyhjiä ei kuitenkaan ollut läsnä kolmanneksella kriittisestä virrantiheydestä. Tämä vahvisti, että tyhjien muodostuminen todellakin etenee dendriittien kasvussa.

Tutkijat suorittivat sitten laskennallisia laskelmia ymmärtääkseen, miten litium vuorovaikuttaa näiden metallien kanssa, käyttäen hyväkseen tietoa siitä, miten volframi ja alumiini reagoivat energian ja lämpötilan muutoksiin. He osoittivat, että alumiinikerroksilla on todellakin suurempi todennäköisyys huokosten kehittymiselle, kun ne ovat vuorovaikutuksessa litiumin kanssa. Näiden laskelmien avulla olisi helpompi valita toisenlainen metalli testattavaksi tulevaisuudessa.

Tämä tutkimus on osoittanut, että kiinteäelektrolyyttiakut ovat luotettavampia, kun elektrolyytin ja anodin väliin lisätään ohut metallikerros. Tutkijat osoittivat myös, että yhden metallin valitseminen toisen sijaan, tässä tapauksessa volframin valitseminen alumiinin sijaan, voi pidentää akkujen käyttöikää. Näiden akkujen suorituskyvyn parantaminen tuo ne askeleen lähemmäksi markkinoilla olevien erittäin helposti syttyvien nestemäistä elektrolyyttiä käyttävien akkujen korvaamista.