Şarj edilebilir lityum iyon piller, dizüstü bilgisayarlardan cep telefonlarına, elektrikli arabalara kadar günlük hayatımızdaki birçok elektronik cihaza güç sağlamak için kullanılıyor.Bugün piyasada bulunan lityum iyon piller genellikle hücrenin merkezinde elektrolit adı verilen sıvı bir çözeltiye dayanır.

Pil bir cihaza güç verirken, lityum iyonları negatif yüklü uçtan veya anottan sıvı elektrolit yoluyla pozitif yüklü uca veya katoda doğru hareket eder.Pil yeniden şarj edilirken iyonlar diğer yönde katottan elektrolit yoluyla anoda doğru akar.

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

Ancak önceki çalışmalar, katı bir elektrolitin, pil şarj olurken anotta birikebilecek dendrit adı verilen küçük metalik oluşumlara yol açtığını ortaya çıkarmıştı.Bu dendritler pillere düşük akımlarda kısa devre yaptırarak pilleri kullanılamaz hale getirir.

Dendrit büyümesi, elektrolit ile anot arasındaki sınırda, elektrolitteki küçük kusurlarda başlar.Hindistan'daki bilim adamları yakın zamanda dendrit büyümesini yavaşlatmanın bir yolunu keşfettiler.Elektrolit ile anot arasına ince bir metalik katman ekleyerek dendritlerin anoda doğru büyümesini durdurabilirler.

Bilim insanları bu ince metalik tabakayı oluşturmak için alüminyum ve tungsteni olası metaller olarak incelemeyi seçtiler.Bunun nedeni ne alüminyumun ne de tungstenin lityumla karışımı veya alaşımı olmasıdır.Bilim insanları bunun lityumda kusur oluşma olasılığını azaltacağına inanıyordu.Seçilen metal lityum ile alaşım yaptıysa, zamanla küçük miktarlarda lityum metal katmana geçebilir.Bu, lityumda boşluk adı verilen ve daha sonra bir dendritin oluşabileceği bir tür kusur bırakacaktır.

Metalik katmanın etkinliğini test etmek için üç tip pil bir araya getirildi: biri lityum anot ile katı elektrolit arasında ince bir alüminyum katmanına sahip, biri ince bir tungsten katmanına sahip, diğeri ise metalik katmanı olmayan.

Pilleri test etmeden önce bilim insanları, anot ve elektrolit arasındaki sınıra yakından bakmak için taramalı elektron mikroskobu adı verilen yüksek güçlü bir mikroskop kullandılar.Numunede metalik katman içermeyen küçük boşluklar ve delikler gördüler ve bu kusurların muhtemelen dendritlerin büyüyebileceği yerler olduğuna dikkat çektiler.Hem alüminyum hem de tungsten katmanlı piller pürüzsüz ve sürekli görünüyordu.

İlk deneyde, her bir bataryadan 24 saat boyunca sabit bir elektrik akımı geçirildi.Metalik katmanı olmayan pil, muhtemelen dendrit büyümesi nedeniyle ilk 9 saat içinde kısa devre yaptı ve arızalandı.Bu ilk deneyde ne alüminyum ne de tungstenli piller başarısız oldu.

Hangi metal katmanın dendrit büyümesini durdurmada daha iyi olduğunu belirlemek için yalnızca alüminyum ve tungsten katman numuneleri üzerinde başka bir deney yapıldı.Bu deneyde piller, önceki deneyde kullanılan akımdan başlayarak ve her adımda küçük bir miktar artırılarak artan akım yoğunlukları ile çevrildi.

Pilin kısa devre yaptığı akım yoğunluğunun dendrit büyümesi için kritik akım yoğunluğu olduğuna inanılıyordu.Alüminyum katmanlı akü, başlangıç ​​akımının üç katında, tungsten katmanlı pil ise başlangıç ​​akımının beş katından fazla arıza yaptı.Bu deney, tungstenin alüminyumdan daha iyi performans gösterdiğini gösteriyor.

Bilim adamları yine anot ve elektrolit arasındaki sınırı incelemek için taramalı elektron mikroskobu kullandılar.Önceki deneyde ölçülen kritik akım yoğunluğunun üçte ikisinde metal katmanda boşluklar oluşmaya başladığını gördüler.Ancak kritik akım yoğunluğunun üçte birinde boşluk yoktu.Bu, boşluk oluşumunun dendrit büyümesine yol açtığını doğruladı.

Bilim insanları daha sonra lityumun bu metallerle nasıl etkileşime girdiğini anlamak için tungsten ve alüminyumun enerji ve sıcaklık değişikliklerine nasıl tepki verdiğine dair bildiklerimizi kullanarak hesaplamalı hesaplamalar yaptılar.Alüminyum katmanların lityum ile etkileşime girdiğinde boşluk oluşma ihtimalinin gerçekten de daha yüksek olduğunu gösterdiler.Bu hesaplamaların kullanılması gelecekte test edilecek başka bir metal türünün seçilmesini kolaylaştıracaktır.

Bu çalışma, elektrolit ile anot arasına ince bir metalik katman eklendiğinde katı elektrolit pillerin daha güvenilir olduğunu göstermiştir.Bilim adamları ayrıca bir metali diğerine tercih etmenin (bu durumda alüminyum yerine tungsten) pillerin daha uzun süre dayanmasını sağlayabileceğini gösterdi.Bu tür pillerin performansının arttırılması, onları bugün piyasada bulunan yüksek derecede yanıcı sıvı elektrolit pillerin yerini almaya bir adım daha yaklaştıracaktır.