Taaslaetavaid liitiumioonakusid kasutatakse meie igapäevaelus paljude elektroonikaseadmete toiteks, alates sülearvutitest ja mobiiltelefonidest kuni elektriautodeni.Tänapäeval turul olevad liitiumioonakud põhinevad tavaliselt elemendi keskel vedelal lahusel, mida nimetatakse elektrolüüdiks.

Kui aku toidab seadet, liiguvad liitiumioonid negatiivselt laetud otsast ehk anoodist läbi vedela elektrolüüdi positiivselt laetud otsa ehk katoodini.Aku laadimisel voolavad ioonid katoodist teises suunas, läbi elektrolüüdi, anoodile.

Vedelatel elektrolüütidel põhinevatel liitiumioonakudel on suur ohutusprobleem: need võivad ülelaadimisel või lühistamisel süttida.Ohutum alternatiiv vedelatele elektrolüütidele on ehitada aku, mis kasutab liitiumioonide kandmiseks anoodi ja katoodi vahel tahket elektrolüüti.

Varasemad uuringud on aga leidnud, et tahke elektrolüüt põhjustas väikeseid metallilisi kasvajaid, mida nimetatakse dendriitideks, mis kogunesid aku laadimise ajal anoodile.Need dendriidid lühistavad akusid madala vooluga, muutes need kasutuskõlbmatuks.

Dendriidi kasv algab elektrolüüdi väikestest vigadest elektrolüüdi ja anoodi vahelisel piiril.India teadlased on hiljuti avastanud viisi dendriidi kasvu aeglustamiseks.Lisades elektrolüüdi ja anoodi vahele õhukese metallikihi, võivad need peatada dendriitide kasvamise anoodiks.

Teadlased otsustasid selle õhukese metallikihi ehitamiseks uurida alumiiniumi ja volframi kui võimalikke metalle.Selle põhjuseks on asjaolu, et alumiinium ega volfram ei segune liitiumiga ega sulamiga.Teadlased uskusid, et see vähendab liitiumis vigade tekkimise tõenäosust.Kui valitud metall legeerus liitiumiga, võiksid väikesed kogused liitiumi aja jooksul metallikihti liikuda.See jätaks liitiumi tühjuseks, kus võib tekkida dendriit.

Metallikihi efektiivsuse testimiseks pandi kokku kolme tüüpi patareisid: üks õhukese alumiiniumkihiga liitiumanoodi ja tahke elektrolüüdi vahel, teine ​​õhukese volframikihiga ja teisel ilma metallikihita.

Enne akude testimist kasutasid teadlased suure võimsusega mikroskoopi, mida nimetatakse skaneerivaks elektronmikroskoobiks, et uurida anoodi ja elektrolüüdi vahelist piiri.Nad nägid proovis väikseid lünki ja auke ilma metallikihita, märkides, et need vead on tõenäoliselt dendriitide kasvukohad.Nii alumiinium- kui ka volframikihiga akud nägid välja siledad ja pidevad.

Esimeses katses juhiti konstantset elektrivoolu läbi iga aku 24 tunni jooksul.Ilma metallkihita aku lühises ja ebaõnnestus esimese 9 tunni jooksul, tõenäoliselt dendriidi kasvu tõttu.Selles esialgses katses ei ebaõnnestunud kumbki alumiiniumi ega volframi aku.

Selleks, et teha kindlaks, milline metallikiht oli dendriidi kasvu peatamiseks parem, viidi läbi veel üks katse ainult alumiiniumi- ja volframikihi proovidega.Selles katses kasutati akusid järjest suurenevate voolutiheduste kaudu, alustades eelmises katses kasutatud voolust ja suurendades igal etapil väikese koguse võrra.

Voolutihedus, mille juures aku lühis tekkis, arvati olevat dendriidi kasvu jaoks kriitiline voolutihedus.Alumiiniumkihiga aku ebaõnnestus kolmekordse käivitusvooluga ja volframikihiga aku üle viiekordse käivitusvooluga.See katse näitab, et volfram ületas alumiiniumi.

Jällegi kasutasid teadlased skaneerivat elektronmikroskoopi, et kontrollida anoodi ja elektrolüüdi vahelist piiri.Nad nägid, et metallikihis hakkasid tekkima tühimikud kahe kolmandiku juures eelmises katses mõõdetud kriitilisest voolutihedusest.Kuid kolmandiku kriitilisest voolutihedusest ei esinenud tühimikke.See kinnitas, et tühimiku moodustumine jätkab dendriidi kasvu.

Seejärel viisid teadlased läbi arvutuslikud arvutused, et mõista, kuidas liitium nende metallidega suhtleb, kasutades seda, mida me teame selle kohta, kuidas volfram ja alumiinium reageerivad energia- ja temperatuurimuutustele.Nad näitasid, et alumiiniumkihtidel on liitiumiga suhtlemisel tõepoolest suurem tõenäosus tühimike tekkeks.Neid arvutusi kasutades oleks lihtsam valida tulevikus katsetamiseks teist tüüpi metalli.

See uuring on näidanud, et tahke elektrolüüdi akud on töökindlamad, kui elektrolüüdi ja anoodi vahele lisatakse õhuke metallikiht.Teadlased näitasid ka, et ühe metalli, antud juhul alumiiniumi asemel volframi valimine võib akusid veelgi kauem kesta.Seda tüüpi akude jõudluse parandamine viib need sammu võrra lähemale tänapäeval turul olevate väga tuleohtlike vedelate elektrolüütide akude asendamisele.