Endurhlaðanlegar litíumjónarafhlöður eru notaðar til að knýja marga raftæki í daglegu lífi okkar, allt frá fartölvum og farsímum til rafmagnsbíla. Litíumjónarafhlöðurnar á markaðnum í dag nota venjulega fljótandi lausn, sem kallast raflausn, í miðju rafhlöðunnar.

Þegar rafhlaðan knýr tæki, færast litíumjónir frá neikvætt hlaðna endanum, eða anóðunni, í gegnum fljótandi rafvökvann, að jákvætt hlaðna endanum, eða katóðunni. Þegar rafhlaðan er endurhlaðin, flæða jónirnar í hina áttina frá katóðunni, í gegnum rafvökvann, að anóðunni.

Litíumjónarafhlöður sem reiða sig á fljótandi rafvökva hafa alvarlegt öryggisvandamál: þær geta kviknað í þegar þær eru ofhlaðnar eða skammhlaupaðar. Öruggari valkostur við fljótandi rafvökva er að smíða rafhlöðu sem notar fasta rafvökva til að flytja litíumjónir milli anóðu og katóðu.

Hins vegar hafa fyrri rannsóknir leitt í ljós að fast raflausn leiddi til lítilla málmvaxtar, kallaðra dendríta, sem mynduðust á anóðunni á meðan rafhlaðan hleðst. Þessir dendrítar valda skammhlaupi í rafhlöðunum við lágan straum og gera þær ónothæfar.

Vöxtur dendríta hefst við litlar sprungur í rafvökvanum á mörkum rafvökvans og anóðu. Vísindamenn á Indlandi hafa nýlega uppgötvað leið til að hægja á vexti dendríta. Með því að bæta við þunnu málmlagi milli rafvökvans og anóðu geta þeir komið í veg fyrir að dendrítar vaxi inn í anóðuna.

Vísindamennirnir völdu að rannsaka ál og wolfram sem mögulega málma til að byggja upp þetta þunna málmlag. Þetta er vegna þess að hvorki ál né wolfram blandast við litíum eða mynda málmblöndur. Vísindamennirnir töldu að þetta myndi minnka líkur á að gallar mynduðust í litíuminu. Ef málmurinn sem valinn var blandaðist við litíum gæti lítið magn af litíum færst inn í málmlagið með tímanum. Þetta myndi skilja eftir galla sem kallast holrúm í litíuminu þar sem dendrít gæti myndast.

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

Áður en rafhlöðurnar voru prófaðar notuðu vísindamennirnir öflugan smásjá, kallaðan rafeindasmásjá, til að skoða náið mörkin milli anóðu og raflausnar. Þeir sáu lítil eyður og göt í sýninu án málmlags og tóku eftir því að þessir gallar eru líklega staðir fyrir dendríta til að vaxa. Bæði rafhlöðurnar með ál- og wolframlögum litu út fyrir að vera sléttar og samfelldar.

Í fyrstu tilrauninni var stöðugur rafstraumur látinn ganga í gegnum hverja rafhlöðu í 24 klukkustundir. Rafhlaðan án málmlags skammhlaupaði og bilaði innan fyrstu 9 klukkustundanna, líklega vegna vaxtar dendríta. Hvorki rafhlöður með áli né wolfram biluðu í þessari fyrstu tilraun.

Til að ákvarða hvaða málmlag væri betra til að stöðva vöxt dendríta var önnur tilraun framkvæmd á sýnum úr ál- og wolframlaginu. Í þessari tilraun voru rafhlöðurnar látnar ganga í gegnum vaxandi straumþéttleika, byrjað á straumnum sem notaður var í fyrri tilrauninni og síðan smávægilega aukinn í hverju skrefi.

Talið er að straumþéttleikinn þar sem rafhlaðan skammhlaupaði sé mikilvægur straumþéttleiki fyrir vöxt dendríta. Rafhlaðan með állagi bilaði við þrefalt meiri upphafsstraum og rafhlaðan með wolframlagi bilaði við meira en fimmfalt meiri upphafsstraum. Þessi tilraun sýnir að wolfram stóð sig betur en ál.

Vísindamennirnir notuðu aftur rafeindasmásjá til að skoða mörkin milli anóðu og raflausnar. Þeir sáu að holrými fóru að myndast í málmlaginu við tvo þriðju af þeim mikilvægu straumþéttleika sem mældur var í fyrri tilrauninni. Hins vegar voru engin holrými til staðar við einn þriðja af þeim mikilvægu straumþéttleika. Þetta staðfesti að myndun holrýmis leiðir til vaxtar dendríta.

Vísindamennirnir framkvæmdu síðan tölvureikniútreikninga 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 hitastigsbreytingum. Þeir sýndu fram á að állög eru í raun líklegri til að mynda holrúm þegar þau hafa samskipti við litíum. Með því að nota þessa útreikninga væri auðveldara að velja aðra tegund málms til að prófa í framtíðinni.

Þessi rannsókn hefur sýnt að rafhlöður með föstu raflausn eru áreiðanlegri þegar þunnt málmlag er bætt á milli raflausnarinnar og anóðu. Vísindamennirnir sýndu einnig fram á að með því að velja einn málm fram yfir annan, í þessu tilfelli wolfram í stað áls, gæti það aukið endingartíma rafhlöðu. Með því að bæta afköst þessara gerða rafhlöðu mun það færa þær skrefi nær því að koma í stað mjög eldfima fljótandi raflausnarrafhlöðu sem eru á markaðnum í dag.