סוללות ליתיום יון נטענות משמשות להפעלת מוצרי אלקטרוניקה רבים בחיי היומיום שלנו, ממחשבים ניידים וטלפונים סלולריים ועד מכוניות חשמליות.סוללות הליתיום יון בשוק כיום מסתמכות בדרך כלל על תמיסה נוזלית, הנקראת אלקטרוליט, במרכז התא.

כאשר הסוללה מפעילה מכשיר, יוני ליתיום נעים מהקצה הטעון שלילי, או האנודה, דרך האלקטרוליט הנוזלי, אל הקצה הטעון חיובי, או הקתודה.כאשר הסוללה נטענת מחדש, היונים זורמים בכיוון השני מהקתודה, דרך האלקטרוליט, אל האנודה.

לסוללות ליתיום יון המסתמכות על אלקטרוליטים נוזליים יש בעיית בטיחות גדולה: הן עלולות להתלקח כשהן מוטענות יתר על המידה או קצרות.חלופה בטוחה יותר לאלקטרוליטים נוזליים היא בניית סוללה המשתמשת באלקטרוליט מוצק כדי לשאת יוני ליתיום בין האנודה לקתודה.

עם זאת, מחקרים קודמים מצאו כי אלקטרוליט מוצק הוביל לגידולים מתכתיים קטנים, הנקראים דנדריטים, שיצטברו על האנודה בזמן שהסוללה נטענת.הדנדריטים הללו מקצרים את הסוללות בזרמים נמוכים, מה שהופך אותן לבלתי שמישות.

צמיחת דנדריטים מתחילה בפגמים קטנים באלקטרוליט בגבול בין אלקטרוליט לאנודה.מדענים בהודו גילו לאחרונה דרך להאט את צמיחת הדנדריטים.על ידי הוספת שכבה מתכתית דקה בין אלקטרוליט לאנודה, הם יכולים לעצור את צמיחת הדנדריטים לתוך האנודה.

המדענים בחרו לחקור אלומיניום וטונגסטן כמתכות אפשריות לבניית שכבה מתכתית דקה זו.הסיבה לכך היא שאלומיניום ולא טונגסטן מתערבבים, או סגסוגת, עם ליתיום.המדענים האמינו שזה יוריד את הסבירות להיווצרות פגמים בליתיום.אם המתכת שנבחרה הייתה סגסוגת עם ליתיום, כמויות קטנות של ליתיום יכולות לעבור לשכבת המתכת לאורך זמן.זה ישאיר סוג של פגם הנקרא חלל בליתיום שבו יכול להיווצר דנדריט.

על מנת לבדוק את יעילות השכבה המתכתית הורכבו שלושה סוגי סוללות: אחת עם שכבה דקה של אלומיניום בין אנודת ליתיום לאלקטרוליט מוצק, אחת עם שכבה דקה של טונגסטן ואחת ללא שכבה מתכתית.

לפני בדיקת הסוללות, המדענים השתמשו במיקרוסקופ בעל עוצמה גבוהה, הנקרא מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, כדי לבחון מקרוב את הגבול בין האנודה לאלקטרוליט.הם ראו רווחים וחורים קטנים בדגימה ללא שכבה מתכתית, וציינו שפגמים אלו הם מקומות שסביר לדנדריטים לצמוח.שתי הסוללות עם שכבות האלומיניום והטונגסטן נראו חלקות ורציפות.

בניסוי הראשון, זרם חשמלי קבוע עבר בכל סוללה במשך 24 שעות.הסוללה ללא שכבה מתכתית קצרה ונכשלה במהלך 9 השעות הראשונות, ככל הנראה עקב צמיחת דנדריטים.אף סוללה עם אלומיניום או טונגסטן לא נכשלה בניסוי ראשוני זה.

על מנת לקבוע איזו שכבת מתכת הייתה טובה יותר בעצירת צמיחת הדנדריטים, בוצע ניסוי נוסף רק על דגימות שכבת האלומיניום והטונגסטן.בניסוי זה, הסוללות עברו על מחזוריות בצפיפות זרם גדלה, החל מהזרם ששימש בניסוי הקודם וגדל בכמות קטנה בכל שלב.

האמינו כי צפיפות הזרם שבה קצרה הסוללה היא צפיפות הזרם הקריטית לצמיחת דנדריטים.הסוללה עם שכבת אלומיניום נכשלה בזרם ההתחלה פי שלושה, והסוללה עם שכבת טונגסטן נכשלה בזרם ההתחלה של יותר מחמש פעמים.ניסוי זה מראה כי טונגסטן עלה על אלומיניום.

שוב, המדענים השתמשו במיקרוסקופ אלקטרוני סורק כדי לבדוק את הגבול בין האנודה לאלקטרוליט.הם ראו שחללים החלו להיווצר בשכבת המתכת בשני שליש מצפיפות הזרם הקריטית שנמדדה בניסוי הקודם.עם זאת, חללים לא היו קיימים בשליש מצפיפות הזרם הקריטית.זה אישר שהיווצרות חללים אכן ממשיכה את צמיחת הדנדריטים.

לאחר מכן הפעילו המדענים חישובים חישוביים כדי להבין כיצד ליתיום יוצר אינטראקציה עם המתכות הללו, תוך שימוש במה שאנו יודעים על האופן שבו טונגסטן ואלומיניום מגיבים לשינויי אנרגיה וטמפרטורה.הם הוכיחו כי לשכבות אלומיניום אכן יש סבירות גבוהה יותר להתפתחות חללים בעת אינטראקציה עם ליתיום.שימוש בחישובים אלה יקל על בחירת סוג מתכת אחר לבדיקה בעתיד.

מחקר זה הראה שסוללות אלקטרוליט מוצק הן אמינות יותר כאשר מוסיפים שכבה מתכתית דקה בין אלקטרוליט לאנודה.המדענים גם הוכיחו שבחירה במתכת אחת על פני אחרת, במקרה זה טונגסטן במקום אלומיניום, יכולה לגרום לסוללות להחזיק מעמד עוד יותר.שיפור הביצועים של סוללות מסוג זה יקרב אותן צעד אחד יותר להחלפת סוללות האלקטרוליט הנוזלי הדליק ביותר הקיימות היום בשוק.