დატენვადი ლითიუმ-იონური აკუმულატორები გამოიყენება ჩვენს ყოველდღიურ ცხოვრებაში მრავალი ელექტრონული მოწყობილობის კვებისათვის, ლეპტოპებიდან და მობილური ტელეფონებიდან დაწყებული ელექტრომობილებით დამთავრებული. დღეს ბაზარზე არსებული ლითიუმ-იონური აკუმულატორები, როგორც წესი, უჯრედის ცენტრში არსებულ თხევად ხსნარს, ელექტროლიტს, ეყრდნობა.

როდესაც აკუმულატორი კვებავს მოწყობილობას, ლითიუმის იონები უარყოფითად დამუხტული ბოლოდან, ანუ ანოდიდან, თხევადი ელექტროლიტის გავლით, დადებითად დამუხტულ ბოლოში, ანუ კათოდში გადადიან. როდესაც აკუმულატორი იტენება, იონები საპირისპირო მიმართულებით მიედინება კათოდიდან, ელექტროლიტის გავლით, ანოდში.

თხევად ელექტროლიტზე დაფუძნებულ ლითიუმ-იონურ აკუმულატორებს უსაფრთხოების მნიშვნელოვანი პრობლემა აქვთ: მათ შეიძლება აალება გადაჭარბებული დატენვის ან მოკლე ჩართვის შემთხვევაში. თხევადი ელექტროლიტების უფრო უსაფრთხო ალტერნატივაა ისეთი აკუმულატორის შექმნა, რომელიც მყარ ელექტროლიტს გამოიყენებს ლითიუმის იონების ანოდსა და კათოდს შორის გადასატანად.

თუმცა, წინა კვლევებმა აჩვენა, რომ მყარი ელექტროლიტი იწვევდა მცირე მეტალის წანაზარდების, დენდრიტების, წარმოქმნას, რომლებიც აკუმულატორის დატენვის დროს ანოდზე გროვდებოდა. ეს დენდრიტები დაბალი დენის დროს აკუმულატორებს მოკლე ჩართვის საშუალებას აძლევდა, რაც მათ გამოყენებადობას უვარგისს ხდიდა.

დენდრიტების ზრდა იწყება ელექტროლიტში მცირე დეფექტებიდან, ელექტროლიტსა და ანოდს შორის საზღვარზე. ინდოელმა მეცნიერებმა ცოტა ხნის წინ აღმოაჩინეს დენდრიტების ზრდის შენელების გზა. ელექტროლიტსა და ანოდს შორის თხელი მეტალის ფენის დამატებით, მათ შეუძლიათ შეაჩერონ დენდრიტების ანოდში ზრდა.

მეცნიერებმა ამ თხელი მეტალის ფენის ასაგებად ალუმინის და ვოლფრამის, როგორც შესაძლო ლითონების შესწავლა გადაწყვიტეს. ეს იმიტომ ხდება, რომ არც ალუმინი და არც ვოლფრამი არ ერწყმის და არც არ შენადნობს ლითიუმს. მეცნიერები თვლიდნენ, რომ ეს შეამცირებდა ლითიუმში დეფექტების წარმოქმნის ალბათობას. თუ არჩეული ლითონი ლითიუმთან შენადნობდა, დროთა განმავლობაში ლითიუმის მცირე რაოდენობა შეიძლება გადავიდეს ლითონის ფენაში. ეს ლითიუმში დატოვებს ერთგვარ დეფექტს, რომელსაც სიცარიელე ეწოდება, სადაც შემდეგ შეიძლება დენდრიტის წარმოქმნა.

მეტალის ფენის ეფექტურობის შესამოწმებლად, აწყობილი იქნა სამი ტიპის ბატარეა: ერთი ლითიუმის ანოდსა და მყარ ელექტროლიტს შორის ალუმინის თხელი ფენით, ერთი ვოლფრამის თხელი ფენით და ერთი მეტალის ფენის გარეშე.

ელემენტების ტესტირებამდე, მეცნიერებმა გამოიყენეს მაღალი სიმძლავრის მიკროსკოპი, რომელსაც სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპი ეწოდება, რათა ანოდსა და ელექტროლიტს შორის საზღვარი კარგად დაეკვირვებინათ. მათ ნიმუშში დაინახეს პატარა ნაპრალები და ხვრელები მეტალის ფენის გარეშე, რაც იმას ნიშნავდა, რომ ეს დეფექტები, სავარაუდოდ, დენდრიტების ზრდის ადგილია. ალუმინის და ვოლფრამის ფენების მქონე ორივე ელემენტი გლუვი და უწყვეტი ჩანდა.

პირველ ექსპერიმენტში, თითოეულ აკუმულატორში 24 საათის განმავლობაში მუდმივი ელექტრული დენი გადიოდა. ლითონის ფენის გარეშე აკუმულატორმა პირველი 9 საათის განმავლობაში მოკლე ჩართვა განიცადა და გაფუჭდა, სავარაუდოდ, დენდრიტების ზრდის გამო. ამ საწყის ექსპერიმენტში არც ალუმინის და არც ვოლფრამის შემცველი აკუმულატორი არ გაფუჭებულა.

იმის დასადგენად, თუ რომელი ლითონის ფენა იყო უკეთესი დენდრიტების ზრდის შესაჩერებლად, კიდევ ერთი ექსპერიმენტი ჩატარდა მხოლოდ ალუმინის და ვოლფრამის ფენების ნიმუშებზე. ამ ექსპერიმენტში, ბატარეები ციკლურად იზრდებოდა დენის სიმკვრივეზე, დაწყებული წინა ექსპერიმენტში გამოყენებული დენით და მცირედით გაზრდით თითოეულ ეტაპზე.

დენის სიმკვრივე, რომლის დროსაც აკუმულატორი მოკლე ჩართვის შედეგად დაზიანდა, დენდრიტების ზრდისთვის კრიტიკულ დენის სიმკვრივედ ითვლებოდა. ალუმინის ფენის მქონე აკუმულატორი სამჯერ მეტი საწყისი დენის დროს გაფუჭდა, ხოლო ვოლფრამის ფენის მქონე აკუმულატორი ხუთჯერ მეტი საწყისი დენის დროს გაფუჭდა. ეს ექსპერიმენტი აჩვენებს, რომ ვოლფრამმა ალუმინზე უკეთესი შედეგი აჩვენა.

მეცნიერებმა კვლავ გამოიყენეს სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპი ანოდსა და ელექტროლიტს შორის საზღვრის შესამოწმებლად. მათ დაინახეს, რომ ლითონის ფენაში სიცარიელეების წარმოქმნა დაიწყო წინა ექსპერიმენტში გაზომილი კრიტიკული დენის სიმკვრივის ორი მესამედის დროს. თუმცა, სიცარიელეები არ იყო კრიტიკული დენის სიმკვრივის ერთი მესამედის დროს. ამან დაადასტურა, რომ სიცარიელის წარმოქმნა დენდრიტების ზრდის შედეგია.

შემდეგ მეცნიერებმა ჩაატარეს გამოთვლითი გამოთვლები, რათა გაეგოთ, თუ როგორ ურთიერთქმედებს ლითიუმი ამ ლითონებთან, იმის გამოყენებით, რაც ჩვენ ვიცით ვოლფრამისა და ალუმინის ენერგიისა და ტემპერატურის ცვლილებებზე რეაგირების შესახებ. მათ აჩვენეს, რომ ალუმინის ფენებს მართლაც აქვთ უფრო მაღალი ალბათობა სიცარიელეების წარმოქმნისა ლითიუმთან ურთიერთქმედებისას. ამ გამოთვლების გამოყენება გაამარტივებდა მომავალში სხვა ტიპის ლითონის შერჩევას შესამოწმებლად.

ამ კვლევამ აჩვენა, რომ მყარი ელექტროლიტური აკუმულატორები უფრო საიმედოა, როდესაც ელექტროლიტსა და ანოდს შორის თხელი მეტალის ფენა ემატება. მეცნიერებმა ასევე აჩვენეს, რომ ერთი ლითონის მეორეზე, ამ შემთხვევაში ალუმინის ნაცვლად ვოლფრამის, არჩევამ შეიძლება აკუმულატორები კიდევ უფრო გაახანგრძლივოს. ამ ტიპის აკუმულატორების მუშაობის გაუმჯობესება მათ ერთი ნაბიჯით მიუახლოვდება ბაზარზე არსებული ადვილად აალებადი თხევადი ელექტროლიტური აკუმულატორების ჩანაცვლებას.