Oplaadbare lithium-ionbatterijen worden gebruikt om veel elektronische apparaten in ons dagelijks leven van stroom te voorzien, van laptops en mobiele telefoons tot elektrische auto's. De lithium-ionbatterijen die momenteel op de markt zijn, maken doorgaans gebruik van een vloeibare oplossing, een elektrolyt genaamd, in het midden van de cel.

Wanneer een apparaat door de batterij wordt opgeladen, bewegen lithiumionen van de negatief geladen kant, ofwel de anode, door de vloeibare elektrolyt naar de positief geladen kant, ofwel de kathode. Tijdens het opladen van de batterij stromen de ionen in de tegenovergestelde richting: van de kathode, door de elektrolyt, naar de anode.

Lithium-ionbatterijen die gebruikmaken van vloeibare elektrolyten hebben een groot veiligheidsprobleem: ze kunnen vlam vatten bij overladen of kortsluiting. Een veiliger alternatief voor vloeibare elektrolyten is een batterij die een vaste elektrolyt gebruikt om lithiumionen tussen de anode en kathode te transporteren.

Eerdere studies hebben echter aangetoond dat een vaste elektrolyt leidt tot kleine metaalachtige uitgroeiingen, dendrieten genaamd, die zich tijdens het opladen van de batterij op de anode vormen. Deze dendrieten veroorzaken kortsluiting in de batterijen bij lage stroomsterktes, waardoor ze onbruikbaar worden.

Dendrieten ontstaan ​​bij kleine defecten in het elektrolyt op de grens tussen elektrolyt en anode. Wetenschappers in India hebben onlangs een manier ontdekt om dendrietgroei te vertragen. Door een dunne metaallaag tussen elektrolyt en anode aan te brengen, kunnen ze voorkomen dat dendrieten in de anode groeien.

De wetenschappers kozen ervoor om aluminium en wolfraam te onderzoeken als mogelijke metalen voor de opbouw van deze dunne metaallaag. Dit komt doordat noch aluminium noch wolfraam mengt, of een legering vormt, met lithium. De wetenschappers waren van mening dat dit de kans op defecten in het lithium zou verkleinen. Als het gekozen metaal wél een legering met lithium zou vormen, zouden kleine hoeveelheden lithium na verloop van tijd in de metaallaag kunnen doordringen. Dit zou een defect, een zogenaamde holte, in het lithium achterlaten, waar vervolgens een dendriet zou kunnen ontstaan.

Om de effectiviteit van de metaallaag te testen, werden drie soorten batterijen geassembleerd: één met een dunne laag aluminium tussen de lithiumanode en de vaste elektrolyt, één met een dunne laag wolfraam en één zonder metaallaag.

Voordat de batterijen werden getest, gebruikten de wetenschappers een krachtige microscoop, een zogenaamde scanningelektronenmicroscoop, om de grens tussen anode en elektrolyt nauwkeurig te bekijken. Ze zagen kleine openingen en gaten in het monster zonder metaallaag en merkten op dat deze onvolkomenheden waarschijnlijk plekken zijn waar dendrieten kunnen groeien. Zowel de batterijen met een aluminiumlaag als die met een wolfraamlaag zagen er glad en aaneengesloten uit.

In het eerste experiment werd gedurende 24 uur een constante elektrische stroom door elke batterij geleid. De batterij zonder metalen laag kreeg kortsluiting en viel binnen de eerste 9 uur uit, waarschijnlijk als gevolg van dendrietgroei. Geen van beide batterijen, met aluminium of wolfraam, begaf het in dit eerste experiment.

Om te bepalen welke metaallaag de dendrietgroei beter remde, werd een nieuw experiment uitgevoerd met alleen de aluminium- en wolfraamlaagmonsters. In dit experiment werden de batterijen ontladen met steeds hogere stroomdichtheden, beginnend bij de stroomsterkte die in het vorige experiment werd gebruikt en telkens met een kleine hoeveelheid verhoogd.

De stroomdichtheid waarbij de batterij kortsluiting veroorzaakte, werd beschouwd als de kritische stroomdichtheid voor dendrietgroei. De batterij met een aluminiumlaag begaf het bij driemaal de startstroom, en de batterij met een wolfraamlaag begaf het bij meer dan vijfmaal de startstroom. Dit experiment toont aan dat wolfraam beter presteerde dan aluminium.

De wetenschappers gebruikten opnieuw een scanningelektronenmicroscoop om de grens tussen anode en elektrolyt te inspecteren. Ze zagen dat er holtes begonnen te ontstaan ​​in de metaallaag bij tweederde van de kritische stroomdichtheden die in het vorige experiment waren gemeten. Bij eenderde van de kritische stroomdichtheid waren er echter geen holtes aanwezig. Dit bevestigde dat de vorming van holtes voorafgaat aan de dendrietgroei.

De wetenschappers voerden vervolgens computerberekeningen uit om te begrijpen hoe lithium reageert met deze metalen, gebruikmakend van onze kennis over hoe wolfraam en aluminium reageren op energie- en temperatuurveranderingen. Ze toonden aan dat aluminiumlagen inderdaad een grotere kans hebben op de ontwikkeling van holtes bij interactie met lithium. Met behulp van deze berekeningen zou het gemakkelijker worden om in de toekomst een ander metaaltype te kiezen voor onderzoek.

Uit dit onderzoek is gebleken dat batterijen met een vaste elektrolyt betrouwbaarder zijn wanneer een dunne metaallaag tussen de elektrolyt en de anode wordt aangebracht. De wetenschappers hebben ook aangetoond dat de keuze voor een bepaald metaal, in dit geval wolfraam in plaats van aluminium, de levensduur van de batterijen nog verder kan verlengen. Door de prestaties van dit type batterijen te verbeteren, komen ze een stap dichterbij het vervangen van de zeer ontvlambare batterijen met vloeibare elektrolyt die momenteel op de markt zijn.