แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จได้ใช้เพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายชนิดในชีวิตประจำวันของเรา ตั้งแต่แล็ปท็อปและโทรศัพท์มือถือไปจนถึงรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในท้องตลาดปัจจุบันมักอาศัยสารละลายของเหลวที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลต์ที่อยู่ตรงกลางเซลล์

เมื่อแบตเตอรี่จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ ลิเธียมไอออนจะเคลื่อนจากปลายที่มีประจุลบหรือแอโนด ผ่านอิเล็กโทรไลต์เหลว ไปยังปลายที่มีประจุบวกหรือแคโทดเมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จใหม่ ไอออนจะไหลไปในทิศทางอื่นจากแคโทด ผ่านอิเล็กโทรไลต์ ไปยังขั้วบวก

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้อิเล็กโทรไลต์เหลวมีปัญหาด้านความปลอดภัยที่สำคัญ: แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถติดไฟได้เมื่อชาร์จไฟเกินหรือลัดวงจรทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าสำหรับอิเล็กโทรไลต์เหลวคือการสร้างแบตเตอรี่ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งเพื่อส่งไอออนลิเธียมระหว่างขั้วบวกและแคโทด

อย่างไรก็ตาม การศึกษาก่อนหน้านี้พบว่าอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งทำให้เกิดการเติบโตของโลหะเล็กๆ ที่เรียกว่าเดนไดรต์ ซึ่งจะสะสมบนขั้วบวกในขณะที่แบตเตอรี่กำลังชาร์จเดนไดรต์เหล่านี้จะลัดวงจรแบตเตอรี่ด้วยกระแสไฟต่ำ ทำให้ใช้งานไม่ได้

การเจริญเติบโตของเดนไดรต์เริ่มต้นจากข้อบกพร่องเล็กๆ ในอิเล็กโทรไลต์ที่ขอบเขตระหว่างอิเล็กโทรไลต์และแอโนดนักวิทยาศาสตร์ในอินเดียเพิ่งค้นพบวิธีชะลอการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ด้วยการเพิ่มชั้นโลหะบางๆ ระหว่างอิเล็กโทรไลต์และแอโนด พวกมันสามารถหยุดเดนไดรต์ไม่ให้เติบโตเป็นแอโนดได้

นักวิทยาศาสตร์เลือกที่จะศึกษาอะลูมิเนียมและทังสเตนว่าเป็นโลหะที่เป็นไปได้เพื่อสร้างชั้นโลหะบางๆ นี้เนื่องจากไม่มีอลูมิเนียมหรือทังสเตนผสมหรือโลหะผสมกับลิเธียมนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสิ่งนี้จะลดโอกาสที่จะเกิดข้อบกพร่องในลิเธียมหากโลหะที่เลือกเป็นโลหะผสมกับลิเธียม ลิเธียมจำนวนเล็กน้อยอาจเคลื่อนเข้าสู่ชั้นโลหะเมื่อเวลาผ่านไปสิ่งนี้จะทำให้เกิดข้อบกพร่องประเภทหนึ่งที่เรียกว่าโมฆะในลิเธียมซึ่งเดนไดรต์สามารถก่อตัวได้

เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของชั้นโลหะ จึงได้มีการประกอบแบตเตอรี่สามประเภท: ประเภทแรกมีชั้นอลูมิเนียมบางๆ ระหว่างลิเธียมแอโนดกับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ประเภทหนึ่งมีทังสเตนชั้นบาง และอีกประเภทหนึ่งไม่มีชั้นโลหะ

ก่อนที่จะทดสอบแบตเตอรี่ นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังสูงที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด เพื่อตรวจดูขอบเขตระหว่างขั้วบวกและอิเล็กโทรไลต์อย่างใกล้ชิดพวกเขาเห็นช่องว่างและรูเล็กๆ ในตัวอย่างที่ไม่มีชั้นโลหะ โดยสังเกตว่าข้อบกพร่องเหล่านี้น่าจะเป็นที่ที่เดนไดรต์จะเติบโตทั้งแบตเตอรี่ที่มีชั้นอะลูมิเนียมและทังสเตนดูเรียบเนียนและต่อเนื่องกัน

ในการทดลองครั้งแรก กระแสไฟฟ้าคงที่จะหมุนเวียนผ่านแบตเตอรี่แต่ละก้อนเป็นเวลา 24 ชั่วโมงแบตเตอรี่ที่ไม่มีชั้นโลหะลัดวงจรและใช้งานไม่ได้ภายใน 9 ชั่วโมงแรก อาจเนื่องมาจากการเติบโตของเดนไดรต์แบตเตอรี่ที่ใช้อะลูมิเนียมหรือทังสเตนไม่ล้มเหลวในการทดลองครั้งแรกนี้

เพื่อตรวจสอบว่าชั้นโลหะใดหยุดการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ได้ดีกว่า จึงมีการทำการทดลองอีกครั้งกับตัวอย่างชั้นอะลูมิเนียมและทังสเตนเท่านั้นในการทดลองนี้ แบตเตอรี่ถูกหมุนเวียนโดยการเพิ่มความหนาแน่นกระแส โดยเริ่มจากกระแสที่ใช้ในการทดลองครั้งก่อนและเพิ่มขึ้นเล็กน้อยในแต่ละขั้นตอน

เชื่อกันว่าความหนาแน่นกระแสที่เกิดการลัดวงจรของแบตเตอรี่คือความหนาแน่นกระแสวิกฤติสำหรับการเติบโตของเดนไดรต์แบตเตอรี่ที่มีชั้นอะลูมิเนียมขัดข้องที่กระแสไฟฟ้าสตาร์ทสามเท่า และแบตเตอรี่ที่มีชั้นทังสเตนขัดข้องที่มากกว่าห้าเท่าของกระแสสตาร์ทการทดลองนี้แสดงให้เห็นว่าทังสเตนมีประสิทธิภาพเหนือกว่าอลูมิเนียม

นักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดอีกครั้งเพื่อตรวจสอบขอบเขตระหว่างขั้วบวกและอิเล็กโทรไลต์พวกเขาเห็นว่าช่องว่างเริ่มก่อตัวในชั้นโลหะที่ 2 ใน 3 ของความหนาแน่นกระแสวิกฤติที่วัดได้ในการทดลองครั้งก่อนอย่างไรก็ตาม ไม่มีช่องว่างอยู่ที่หนึ่งในสามของความหนาแน่นกระแสวิกฤตสิ่งนี้ยืนยันว่าการก่อตัวเป็นโมฆะทำให้เกิดการเติบโตของเดนไดรต์

จากนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงทำการคำนวณเพื่อทำความเข้าใจว่าลิเธียมมีปฏิกิริยาอย่างไรกับโลหะเหล่านี้ โดยใช้สิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับวิธีที่ทังสเตนและอะลูมิเนียมตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของพลังงานและอุณหภูมิพวกเขาแสดงให้เห็นว่าชั้นอลูมิเนียมมีโอกาสสูงที่จะเกิดช่องว่างเมื่อทำปฏิกิริยากับลิเธียมการใช้การคำนวณเหล่านี้จะช่วยให้เลือกโลหะประเภทอื่นที่จะทดสอบในอนาคตได้ง่ายขึ้น

การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์แข็งมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นเมื่อมีการเพิ่มชั้นโลหะบางๆ ระหว่างอิเล็กโทรไลต์และแอโนดนักวิทยาศาสตร์ยังแสดงให้เห็นว่าการเลือกโลหะอย่างใดอย่างหนึ่งแทนโลหะอื่น ซึ่งในกรณีนี้คือทังสเตนแทนอลูมิเนียม อาจทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานยิ่งขึ้นการปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ประเภทนี้จะทำให้แบตเตอรี่เข้าใกล้การเปลี่ยนแบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์เหลวไวไฟสูงในตลาดปัจจุบันอีกก้าวหนึ่ง