Şarj edilebilir lityum iyon piller, dizüstü bilgisayarlardan cep telefonlarına ve elektrikli arabalara kadar günlük hayatımızdaki birçok elektronik cihazı çalıştırmak için kullanılır. Günümüzde piyasadaki lityum iyon piller genellikle hücrenin merkezinde elektrolit adı verilen sıvı bir çözeltiye dayanır.

Pil bir cihaza güç sağlarken, lityum iyonları negatif yüklü uçtan (anot) sıvı elektrolit yoluyla pozitif yüklü uca (katot) doğru hareket eder. Pil şarj edilirken ise iyonlar ters yönde, katottan elektrolit yoluyla anoda doğru akar.

Sıvı elektrolit kullanan lityum iyon pillerin önemli bir güvenlik sorunu vardır: aşırı şarj edildiklerinde veya kısa devre yaptıklarında alev alabilirler. Sıvı elektrolitlere daha güvenli bir alternatif, anot ve katot arasında lityum iyonlarını taşımak için katı bir elektrolit kullanan bir pil üretmektir.

Ancak önceki araştırmalar, katı elektrolitin, pil şarj olurken anot üzerinde biriken ve dendrit adı verilen küçük metalik oluşumlara yol açtığını göstermiştir. Bu dendritler, düşük akımlarda pillerde kısa devreye neden olarak pilleri kullanılamaz hale getirir.

Dendrit oluşumu, elektrolit ile anot arasındaki sınırda bulunan elektrolitteki küçük kusurlardan başlar. Hindistan'daki bilim insanları yakın zamanda dendrit oluşumunu yavaşlatmanın bir yolunu keşfettiler. Elektrolit ile anot arasına ince bir metalik tabaka ekleyerek, dendritlerin anota doğru büyümesini engelleyebiliyorlar.

Bilim insanları, bu ince metalik tabakayı oluşturmak için olası metaller olarak alüminyum ve tungsteni incelemeyi seçtiler. Bunun nedeni, ne alüminyumun ne de tungstenin lityum ile karışmaması veya alaşım oluşturmamasıdır. Bilim insanları bunun lityumda kusur oluşma olasılığını azaltacağına inanıyorlardı. Seçilen metal lityum ile alaşım oluşturursa, zamanla az miktarda lityum metal tabakaya geçebilir. Bu, lityumda dendrit oluşumuna yol açabilecek bir tür kusur olan boşluk bırakacaktır.

Metalik tabakanın etkinliğini test etmek amacıyla üç tip pil üretildi: biri lityum anot ile katı elektrolit arasına ince bir alüminyum tabakası yerleştirilmiş, biri ince bir tungsten tabakası yerleştirilmiş ve biri de metalik tabaka içermiyordu.

Bilim insanları, pilleri test etmeden önce, anot ve elektrolit arasındaki sınırı yakından incelemek için taramalı elektron mikroskobu adı verilen yüksek güçlü bir mikroskop kullandılar. Metalik tabaka bulunmayan örnekte küçük boşluklar ve delikler gördüler ve bu kusurların dendritlerin büyümesi için muhtemel yerler olduğunu belirttiler. Hem alüminyum hem de tungsten tabakalı piller pürüzsüz ve sürekli görünüyordu.

İlk deneyde, her bir bataryadan 24 saat boyunca sabit bir elektrik akımı geçirildi. Metalik tabakası olmayan batarya, muhtemelen dendrit büyümesi nedeniyle ilk 9 saat içinde kısa devre yaptı ve arızalandı. Bu ilk deneyde alüminyum veya tungsten içeren bataryaların hiçbiri arızalanmadı.

Dendrit oluşumunu durdurmada hangi metal katmanın daha iyi olduğunu belirlemek için, sadece alüminyum ve tungsten katmanlı numuneler üzerinde başka bir deney yapıldı. Bu deneyde, piller önceki deneyde kullanılan akımdan başlayarak ve her adımda küçük bir miktar artırarak, artan akım yoğunluklarından geçirildi.

Pilde kısa devre oluştuğu akım yoğunluğunun, dendrit oluşumu için kritik akım yoğunluğu olduğuna inanılıyordu. Alüminyum tabakalı pil, başlangıç ​​akımının üç katında, tungsten tabakalı pil ise başlangıç ​​akımının beş katından fazla bir akımda arızalandı. Bu deney, tungstenin alüminyumdan daha iyi performans gösterdiğini ortaya koymaktadır.

Bilim insanları, anot ve elektrolit arasındaki sınırı incelemek için yine taramalı elektron mikroskobu kullandılar. Önceki deneyde ölçülen kritik akım yoğunluğunun üçte ikisinde metal tabakada boşlukların oluşmaya başladığını gördüler. Ancak, kritik akım yoğunluğunun üçte birinde boşluklar mevcut değildi. Bu, boşluk oluşumunun dendrit büyümesinden önce gerçekleştiğini doğruladı.

Bilim insanları daha sonra, tungsten ve alüminyumun enerji ve sıcaklık değişimlerine nasıl tepki verdiğine dair bilgilerimizi kullanarak, lityumun bu metallerle nasıl etkileşim kurduğunu anlamak için hesaplamalar yaptılar. Alüminyum katmanlarının lityumla etkileşime girdiğinde boşluk oluşma olasılığının gerçekten daha yüksek olduğunu gösterdiler. Bu hesaplamaları kullanmak, gelecekte test edilecek başka bir metal türü seçmeyi kolaylaştıracaktır.

Bu çalışma, elektrolit ve anot arasına ince bir metal tabaka eklendiğinde katı elektrolitli pillerin daha güvenilir olduğunu göstermiştir. Bilim insanları ayrıca, bu durumda alüminyum yerine tungsten gibi bir metal seçmenin pillerin ömrünü daha da uzatabileceğini göstermiştir. Bu tür pillerin performansının iyileştirilmesi, onları günümüzde piyasada bulunan son derece yanıcı sıvı elektrolitli pillerin yerini almaya bir adım daha yaklaştıracaktır.