Endurhlaðanlegar litíumjónarafhlöður eru notaðar til að knýja marga rafeindatækni í daglegu lífi okkar, allt frá fartölvum og farsímum til rafbíla.Lithium ion rafhlöðurnar á markaðnum í dag treysta venjulega á fljótandi lausn, sem kallast raflausn, í miðju frumunnar.

Þegar rafhlaðan knýr tæki, færast litíumjónir frá neikvætt hlaðna endanum, eða rafskautinu, í gegnum fljótandi raflausnina, yfir í jákvætt hlaðna endann eða bakskautið.Þegar verið er að endurhlaða rafhlöðuna flæða jónirnar í hina áttina frá bakskautinu, í gegnum raflausnina, til rafskautsins.

Lithium ion rafhlöður sem treysta á fljótandi raflausn hafa stórt öryggisvandamál: þær geta kviknað í ofhleðslu eða skammhlaupi.Öruggari valkostur við fljótandi raflausn er að byggja rafhlöðu sem notar fastan raflausn til að flytja litíumjónir á milli rafskautsins og bakskautsins.

Hins vegar hafa fyrri rannsóknir komist að því að fast raflausn leiddi til lítilla málmvaxtar, kallaðir dendrites, sem myndu safnast upp á rafskautinu meðan rafhlaðan var í hleðslu.Þessir dendrites skammhlaupa rafhlöðurnar við lágan straum, sem gerir þær ónothæfar.

Vöxtur tannsteina hefst við litla galla í raflausninni á mörkum raflausnar og rafskauts.Vísindamenn á Indlandi hafa nýlega uppgötvað leið til að hægja á vexti dendríta.Með því að bæta þunnu málmlagi á milli raflausnarinnar og rafskautsins geta þeir stöðvað dendríta frá því að vaxa inn í rafskautið.

Vísindamennirnir völdu að rannsaka ál og wolfram sem mögulega málma til að byggja upp þetta þunnt málmlag.Þetta er vegna þess að hvorki ál né wolfram blandast, eða álfelgur, með litíum.Vísindamennirnir töldu að þetta myndi minnka líkurnar á að gallar mynduðust í litíum.Ef málmurinn sem valinn var var blandaður með litíum gæti lítið magn af litíum færst inn í málmlagið með tímanum.Þetta myndi skilja eftir tegund af galla sem kallast tóm í litíum þar sem dendrite gæti síðan myndast.

Til að prófa virkni málmlagsins voru þrjár gerðir af rafhlöðum settar saman: ein með þunnu lagi af áli á milli litíumskauts og fasta raflausnarinnar, ein með þunnu lagi af wolfram og ein án málmlags.

Áður en rafhlöðurnar voru prófaðar notuðu vísindamennirnir kraftmikla smásjá, sem kallast skanna rafeindasmásjá, til að skoða vel mörkin milli rafskauts og raflausnar.Þeir sáu litlar eyður og göt í sýninu án málmlags, og bentu á að þessir gallar eru líklega staðir fyrir dendrit að vaxa.Bæði rafhlöðurnar með ál- og wolframlögum virtust sléttar og samfelldar.

Í fyrstu tilrauninni fór stöðugur rafstraumur í gegnum hverja rafhlöðu í 24 klukkustundir.Rafhlaðan án málmlaga skammhlaups og bilaði á fyrstu 9 klukkustundunum, líklega vegna dendritvaxtar.Hvorki rafhlaða með áli eða wolfram bilaði í þessari fyrstu tilraun.

Til þess að ákvarða hvaða málmlag væri betra til að stöðva dendritvöxt, var önnur tilraun gerð á aðeins ál- og wolframlagssýnunum.Í þessari tilraun var rafhlöðunum hjólað í gegnum vaxandi straumþéttleika, byrjað á straumnum sem notaður var í fyrri tilraun og stækkað um lítið magn í hverju skrefi.

Straumþéttleikinn sem rafhlaðan varð fyrir skammhlaupi var talinn vera mikilvægur straumþéttleiki fyrir dendritvöxt.Rafhlaðan með állagi bilaði við þrefaldan upphafsstraum og rafhlaðan með wolframlagi bilaði við meira en fimmfaldan upphafsstraum.Þessi tilraun sýnir að wolfram stóð sig betur en ál.

Aftur notuðu vísindamennirnir rafeindasmásjá til að skoða mörkin milli rafskauts og raflausnar.Þeir sáu að tóm fóru að myndast í málmlaginu við tvo þriðju hluta af mikilvægum straumþéttleika sem mældist í fyrri tilraun.Hins vegar voru tómarúm ekki til staðar við þriðjung af mikilvægum straumþéttleika.Þetta staðfesti að tómamyndun heldur áfram vexti dendrits.

Vísindamennirnir keyrðu síðan útreikninga til að skilja hvernig litíum hefur samskipti við þessa málma, með því að nota það sem við vitum um hvernig wolfram og ál bregðast við orku- og hitabreytingum.Þeir sýndu fram á að állög hafa örugglega meiri líkur á að myndast tómarúm þegar þau hafa samskipti við litíum.Notkun þessara útreikninga myndi gera það auðveldara að velja aðra tegund af málmi til að prófa í framtíðinni.

Þessi rannsókn hefur sýnt að rafhlöður með raflausnum eru áreiðanlegri þegar þunnt málmlag er bætt á milli raflausnar og rafskauts.Vísindamennirnir sýndu einnig fram á að með því að velja einn málm fram yfir annan, í þessu tilviki wolfram í stað áls, gæti rafhlaðan endað enn lengur.Með því að bæta afköst þessara tegunda af rafhlöðum munu þær færa þær einu skrefi nær því að skipta um mjög eldfimar fljótandi rafhlöður á markaðnum í dag.