แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จได้ถูกนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มากมายในชีวิตประจำวันของเรา ตั้งแต่แล็ปท็อปและโทรศัพท์มือถือไปจนถึงรถยนต์ไฟฟ้า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในท้องตลาดปัจจุบันโดยทั่วไปจะใช้สารละลายเหลวที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลต์อยู่ตรงกลางเซลล์

เมื่อแบตเตอรี่กำลังจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ ไอออนลิเธียมจะเคลื่อนที่จากปลายที่มีประจุลบหรือขั้วบวก ผ่านอิเล็กโทรไลต์เหลว ไปยังปลายที่มีประจุบวกหรือขั้วลบ เมื่อแบตเตอรี่กำลังถูกชาร์จ ไอออนจะไหลในทิศทางตรงกันข้าม จากขั้วลบ ผ่านอิเล็กโทรไลต์ ไปยังขั้วบวก

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์เหลวมีปัญหาด้านความปลอดภัยที่สำคัญ คือ อาจเกิดไฟไหม้ได้เมื่อชาร์จไฟเกินหรือเกิดการลัดวงจร ทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าสารละลายอิเล็กโทรไลต์เหลวคือการสร้างแบตเตอรี่ที่ใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์แข็งในการนำพาไอออนลิเธียมระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ

อย่างไรก็ตาม การศึกษาครั้งก่อนๆ พบว่าอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งทำให้เกิดการเจริญเติบโตของโลหะขนาดเล็กที่เรียกว่าเดนไดรต์ ซึ่งจะสะสมอยู่บนขั้วบวกขณะที่แบตเตอรี่กำลังชาร์จ เดนไดรต์เหล่านี้ทำให้แบตเตอรี่ลัดวงจรที่กระแสไฟต่ำ ทำให้แบตเตอรี่ใช้งานไม่ได้

การเจริญเติบโตของเดนไดรต์เริ่มต้นจากจุดบกพร่องเล็กๆ ในอิเล็กโทรไลต์บริเวณรอยต่อระหว่างอิเล็กโทรไลต์และแอโนด นักวิทยาศาสตร์ในอินเดียได้ค้นพบวิธีชะลอการเจริญเติบโตของเดนไดรต์เมื่อไม่นานมานี้ โดยการเพิ่มชั้นโลหะบางๆ ระหว่างอิเล็กโทรไลต์และแอโนด พวกเขาสามารถหยุดการเจริญเติบโตของเดนไดรต์เข้าไปในแอโนดได้

นักวิทยาศาสตร์เลือกศึกษาอะลูมิเนียมและทังสเตนเป็นโลหะที่อาจใช้สร้างชั้นโลหะบางๆ นี้ เนื่องจากทั้งอะลูมิเนียมและทังสเตนไม่ผสมหรือเกิดโลหะผสมกับลิเธียม นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าวิธีนี้จะช่วยลดโอกาสการเกิดข้อบกพร่องในลิเธียม หากโลหะที่เลือกผสมกับลิเธียม ลิเธียมในปริมาณเล็กน้อยอาจเคลื่อนตัวเข้าไปในชั้นโลหะได้เมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งจะทำให้เกิดข้อบกพร่องชนิดหนึ่งที่เรียกว่าช่องว่างในลิเธียม และอาจทำให้เกิดเดนไดรต์ขึ้นได้

เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของชั้นโลหะ จึงได้ประกอบแบตเตอรี่ขึ้น 3 ประเภท ได้แก่ แบตเตอรี่ที่มีชั้นอะลูมิเนียมบางๆ อยู่ระหว่างขั้วบวกลิเธียมและอิเล็กโทรไลต์แข็ง แบตเตอรี่ที่มีชั้นทังสเตนบางๆ และแบตเตอรี่ที่ไม่มีชั้นโลหะเลย

ก่อนทำการทดสอบแบตเตอรี่ นักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังสูงที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน เพื่อตรวจสอบบริเวณรอยต่อระหว่างขั้วบวกและอิเล็กโทรไลต์อย่างละเอียด พวกเขาพบช่องว่างและรูเล็กๆ ในตัวอย่างที่ไม่มีชั้นโลหะ โดยสังเกตว่าข้อบกพร่องเหล่านี้เป็นบริเวณที่เดนไดรต์อาจเจริญเติบโตได้ แบตเตอรี่ที่มีชั้นอะลูมิเนียมและทังสเตนนั้นดูเรียบและต่อเนื่องกัน

ในการทดลองครั้งแรก กระแสไฟฟ้าคงที่ถูกปล่อยไหลผ่านแบตเตอรี่แต่ละก้อนเป็นเวลา 24 ชั่วโมง แบตเตอรี่ที่ไม่มีชั้นโลหะเกิดการลัดวงจรและเสียหายภายใน 9 ชั่วโมงแรก ซึ่งน่าจะเกิดจากการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ แบตเตอรี่ที่มีอะลูมิเนียมหรือทังสเตนไม่เสียหายในการทดลองเบื้องต้นนี้

เพื่อตรวจสอบว่าชั้นโลหะใดมีประสิทธิภาพในการยับยั้งการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ได้ดีกว่า จึงได้ทำการทดลองอีกครั้งกับตัวอย่างที่มีเฉพาะชั้นอะลูมิเนียมและทังสเตน ในการทดลองนี้ แบตเตอรี่จะถูกใช้งานโดยการเพิ่มความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าทีละน้อย โดยเริ่มจากกระแสไฟฟ้าที่ใช้ในการทดลองครั้งก่อน และเพิ่มขึ้นทีละเล็กน้อยในแต่ละขั้นตอน

เชื่อกันว่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ทำให้แบตเตอรี่ลัดวงจรคือความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าวิกฤตสำหรับการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ แบตเตอรี่ที่มีชั้นอะลูมิเนียมเสียหายที่กระแสไฟฟ้าสามเท่าของกระแสไฟฟ้าเริ่มต้น และแบตเตอรี่ที่มีชั้นทังสเตนเสียหายที่กระแสไฟฟ้ามากกว่าห้าเท่าของกระแสไฟฟ้าเริ่มต้น การทดลองนี้แสดงให้เห็นว่าทังสเตนมีประสิทธิภาพดีกว่าอะลูมิเนียม

นักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนตรวจสอบขอบเขตระหว่างขั้วบวกและอิเล็กโทรไลต์อีกครั้ง พวกเขาพบว่าช่องว่างเริ่มก่อตัวในชั้นโลหะที่ความหนาแน่นกระแสสองในสามของค่าวิกฤตที่วัดได้ในการทดลองก่อนหน้านี้ อย่างไรก็ตาม ไม่พบช่องว่างที่ความหนาแน่นกระแสหนึ่งในสามของค่าวิกฤต ซึ่งยืนยันว่าการก่อตัวของช่องว่างเกิดขึ้นพร้อมกับการเติบโตของเดนไดรต์

จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการคำนวณเพื่อทำความเข้าใจว่าลิเธียมมีปฏิกิริยากับโลหะเหล่านี้อย่างไร โดยใช้ความรู้ที่เรามีเกี่ยวกับปฏิกิริยาของทังสเตนและอะลูมิเนียมต่อการเปลี่ยนแปลงของพลังงานและอุณหภูมิ พวกเขาแสดงให้เห็นว่าชั้นอะลูมิเนียมมีโอกาสเกิดช่องว่างมากขึ้นเมื่อทำปฏิกิริยากับลิเธียม การใช้การคำนวณเหล่านี้จะทำให้การเลือกโลหะชนิดอื่นมาทดสอบในอนาคตง่ายขึ้น

การศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์แข็งมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นเมื่อมีการเพิ่มชั้นโลหะบาง ๆ ระหว่างอิเล็กโทรไลต์และขั้วบวก นักวิทยาศาสตร์ยังแสดงให้เห็นว่าการเลือกใช้โลหะชนิดหนึ่งแทนอีกชนิดหนึ่ง ในกรณีนี้คือทังสเตนแทนอะลูมิเนียม อาจทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น การปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ประเภทนี้จะทำให้พวกมันเข้าใกล้การทดแทนแบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์เหลวที่ติดไฟง่ายซึ่งวางจำหน่ายอยู่ในปัจจุบันมากขึ้นอีกขั้น