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

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

Vedelatel elektrolüütidel põhinevatel liitiumioonakudel on suur ohutusprobleem: need võivad ülelaadimise või lühise korral süttida. Vedelatele elektrolüütidele ohutum alternatiiv on ehitada aku, mis kasutab liitiumioonide anoodi ja katoodi vahel transportimiseks tahket elektrolüüti.

Varasemad uuringud on aga leidnud, et tahke elektrolüüt põhjustas aku laadimise ajal anoodile kogunenud väikeste metalliliste moodustiste ehk dendriitide teket. Need dendriidid lühistavad akusid madala voolutugevuse korral, muutes need kasutuskõlbmatuks.

Dendriitide kasv algab elektrolüüdi väikestest vigadest elektrolüüdi ja anoodi piiril. India teadlased on hiljuti avastanud viisi dendriitide kasvu aeglustamiseks. Elektrolüüdi ja anoodi vahele õhukese metallikihi lisamisega saavad nad peatada dendriitide kasvamise anoodi sisse.

Teadlased otsustasid selle õhukese metallikihi ehitamiseks võimalike metallidena uurida alumiiniumi ja volframit. Seda seetõttu, et ei alumiinium ega volfram segune ega sulam liitiumiga. Teadlased uskusid, et see vähendab liitiumis vigade tekkimise tõenäosust. Kui valitud metall sulab liitiumiga, võivad väikesed liitiumi kogused aja jooksul metallikihti liikuda. See jätab liitiumisse tühimiku, kuhu saab seejärel tekkida dendriit.

Metallikihi efektiivsuse testimiseks monteeriti kolme tüüpi akusid: üks õhukese alumiiniumkihiga liitiumanoodi ja tahke elektrolüüdi vahel, üks õhukese volframikihiga ja üks ilma metallikihita.

Enne patareide testimist uurisid teadlased anoodi ja elektrolüüdi vahelist piiri lähemalt võimsa mikroskoobi ehk skaneeriva elektronmikroskoobi abil. Nad nägid proovis väikeseid tühimikke ja auke ilma metallikihita, märkides, et need vead on tõenäoliselt dendriitide kasvukohad. Nii alumiiniumi- kui ka volframikihiga patareid nägid välja siledad ja pidevad.

Esimeses katses juhiti igasse akusse 24 tunni jooksul konstantset elektrivoolu. Ilma metallikihita aku lühistus ja lakkas töötamast esimese 9 tunni jooksul, tõenäoliselt dendriitide kasvu tõttu. Kumbki alumiiniumi- või volframikihiga aku selles esialgses katses ei lagunenud.

Selleks, et teha kindlaks, kumb metallkiht peatas dendriitide kasvu paremini, viidi läbi teine ​​katse ainult alumiiniumi- ja volframkihi proovidega. Selles katses tsükliti patareisid suureneva voolutihedusega, alustades eelmises katses kasutatud voolust ja suurendades seda igal sammul väikese koguse võrra.

Voolutihedust, mille juures aku lühises, peeti dendriitide kasvu jaoks kriitiliseks voolutiheduseks. Alumiiniumkihiga aku lagunes kolm korda suurema käivitusvoolu juures ja volframkihiga aku enam kui viiekordse käivitusvoolu juures. See katse näitab, et volfram edestas alumiiniumi.

Teadlased kasutasid taas skaneerivat elektronmikroskoopi, et uurida anoodi ja elektrolüüdi vahelist piiri. Nad nägid, et metallikihis hakkasid tühimikud tekkima kahe kolmandiku juures eelmises katses mõõdetud kriitilisest voolutihedusest. Kuid ühe kolmandiku juures kriitilisest voolutihedusest tühimikke ei olnud. See kinnitas, et tühimike teke toimub dendriitide kasvu käigus.

Seejärel viisid teadlased läbi arvutuslikud arvutused, et mõista, kuidas liitium nende metallidega interakteerub, kasutades selleks juba teadaolevaid andmeid volframi ja alumiiniumi reaktsioonide kohta energia ja temperatuuri muutustele. Nad näitasid, et alumiiniumkihtidel on liitiumiga interakteerudes tõepoolest suurem tõenäosus tühimike tekkeks. Nende arvutuste kasutamine lihtsustaks tulevikus teist tüüpi metalli valimist testimiseks.

See uuring näitas, et tahke elektrolüüdiga akud on töökindlamad, kui elektrolüüdi ja anoodi vahele lisatakse õhuke metallikiht. Teadlased näitasid ka, et ühe metalli valimine teise asemel, antud juhul volframi alumiiniumi asemel, võib akude eluiga veelgi pikendada. Selliste akude jõudluse parandamine viib need sammu lähemale turul olevate kergestisüttivate vedelelektrolüüdiga akude asendamisele.