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

כאשר הסוללה מפעילה מכשיר, יוני ליתיום נעים מהקצה המטען השלילי, או האנודה, דרך האלקטרוליט הנוזלי, אל הקצה המטען החיובי, או הקתודה. כאשר הסוללה נטענת, היונים זורמים בכיוון ההפוך מהקתודה, דרך האלקטרוליט, אל האנודה.

לסוללות ליתיום-יון המסתמכות על אלקטרוליטים נוזליים יש בעיית בטיחות משמעותית: הן עלולות להתלקח בעת טעינה יתר על המידה או קצר חשמלי. אלטרנטיבה בטוחה יותר לאלקטרוליטים נוזליים היא לבנות 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, שהצטברו על האנודה בזמן טעינת הסוללה. דנדריטים אלה גורמים לקצר בסוללות בזרמים נמוכים, מה שהופך אותן לבלתי שמישות.

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

המדענים בחרו לחקור אלומיניום וטונגסטן כמתכות אפשריות לבניית שכבה מתכתית דקה זו. הסיבה לכך היא שאלומיניום וגם טונגסטן לא מתערבבים, או יוצרים סגסוגת, עם ליתיום. המדענים האמינו שזה יפחית את הסבירות להיווצרות פגמים בליתיום. אם המתכת שנבחרה תיצור סגסוגת עם ליתיום, כמויות קטנות של ליתיום יוכלו להיכנס לשכבת המתכת לאורך זמן. זה ישאיר סוג של פגם הנקרא חלל בליתיום שבו דנדריט יוכל להיווצר.

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

לפני שבדקו את הסוללות, השתמשו המדענים במיקרוסקופ רב עוצמה, הנקרא מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, כדי לבחון מקרוב את הגבול בין האנודה לאלקטרוליט. הם ראו פערים וחורים קטנים בדגימה ללא שכבה מתכתית, וציינו כי פגמים אלה הם ככל הנראה מקומות לגדילת דנדריטים. שתי הסוללות עם שכבות האלומיניום והטונגסטן נראו חלקות ורציפות.

בניסוי הראשון, זרם חשמלי קבוע הוזרם דרך כל סוללה במשך 24 שעות. הסוללה ללא שכבה מתכתית קצרה ונכשלה תוך 9 השעות הראשונות, ככל הנראה עקב צמיחת דנדריטים. אף סוללה עם אלומיניום או טונגסטן לא כשלה בניסוי ראשוני זה.

על מנת לקבוע איזו שכבת מתכת הייתה טובה יותר בעצירת צמיחת הדנדריטים, נערך ניסוי נוסף רק על דגימות שכבת האלומיניום והטונגסטן. בניסוי זה, הסוללות עברו מחזורי מחזור של צפיפויות זרם עולות, החל מהזרם ששימש בניסוי הקודם וגדלו בכמות קטנה בכל שלב.

צפיפות הזרם שבה הסוללה קצרה נחשבה לצפיפות הזרם הקריטית לגדילת דנדריטים. הסוללה עם שכבת אלומיניום התקלקלה בזרם התחלתי גבוה פי שלושה, והסוללה עם שכבת טונגסטן התקלקלה בזרם התחלתי גבוה פי חמישה. ניסוי זה מראה שטונגסטן עלה על ביצועיו של אלומיניום.

שוב, המדענים השתמשו במיקרוסקופ אלקטרונים סורק כדי לבחון את הגבול בין האנודה לאלקטרוליט. הם ראו שחללים החלו להיווצר בשכבת המתכת בשני שלישים מצפיפויות הזרם הקריטיות שנמדדו בניסוי הקודם. עם זאת, חללים לא היו נוכחים בשליש מצפיפות הזרם הקריטית. עובדה זו אישרה כי היווצרות חללים אכן מובילה לגדילת דנדריטים.

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

מחקר זה הראה כי סוללות אלקטרוליט מוצק אמינות יותר כאשר מוסיפים שכבה מתכתית דקה בין האלקטרוליט לאנודה. המדענים גם הדגימו כי בחירה במתכת אחת על פני אחרת, במקרה זה טונגסטן במקום אלומיניום, יכולה להאריך את חיי הסוללות עוד יותר. שיפור הביצועים של סוגי סוללות אלה יקרב אותן צעד אחד קדימה להחלפת סוללות האלקטרוליט הנוזליות הדליקות ביותר הקיימות כיום בשוק.