تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن لتشغيل العديد من الأجهزة الإلكترونية في حياتنا اليومية، بدءًا من أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة وحتى السيارات الكهربائية.تعتمد بطاريات أيونات الليثيوم الموجودة في السوق اليوم عادةً على محلول سائل، يُسمى المنحل بالكهرباء، موجود في مركز الخلية.

عندما تقوم البطارية بتزويد الجهاز بالطاقة، تنتقل أيونات الليثيوم من الطرف سالب الشحنة، أو الأنود، من خلال المنحل بالكهرباء السائل، إلى الطرف الموجب الشحنة، أو الكاثود.عند إعادة شحن البطارية، تتدفق الأيونات في الاتجاه الآخر من الكاثود، عبر المنحل بالكهرباء، إلى القطب الموجب.

تواجه بطاريات الليثيوم أيون التي تعتمد على الإلكتروليتات السائلة مشكلة كبيرة تتعلق بالسلامة: حيث يمكن أن تشتعل فيها النيران عند الشحن الزائد أو قصر الدائرة.البديل الأكثر أمانًا للإلكتروليتات السائلة هو بناء بطارية تستخدم إلكتروليتًا صلبًا لحمل أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود.

ومع ذلك، فقد وجدت الدراسات السابقة أن المنحل بالكهرباء الصلب أدى إلى نمو معدني صغير، يسمى التشعبات، والتي من شأنها أن تتراكم على القطب الموجب أثناء شحن البطارية.تعمل هذه التشعبات على قصر دائرة البطاريات عند التيارات المنخفضة، مما يجعلها غير صالحة للاستخدام.

يبدأ نمو التغصنات عند عيوب صغيرة في المنحل بالكهرباء عند الحدود بين المنحل بالكهرباء والأنود.اكتشف العلماء في الهند مؤخرًا طريقة لإبطاء نمو التشعبات.عن طريق إضافة طبقة معدنية رقيقة بين المنحل بالكهرباء والأنود، يمكنهم إيقاف التشعبات من النمو إلى الأنود.

واختار العلماء دراسة الألومنيوم والتنغستن كمعادن محتملة لبناء هذه الطبقة المعدنية الرقيقة.وذلك لأنه لا يختلط الألمنيوم ولا التنغستن أو السبائك مع الليثيوم.ويعتقد العلماء أن هذا من شأنه أن يقلل من احتمالية تشكل العيوب في الليثيوم.إذا كان المعدن المختار مختلطًا بالليثيوم، فيمكن أن تنتقل كميات صغيرة من الليثيوم إلى الطبقة المعدنية بمرور الوقت.وهذا من شأنه أن يترك نوعًا من الخلل يسمى الفراغ في الليثيوم حيث يمكن أن تتشكل التغصنات بعد ذلك.

ومن أجل اختبار فعالية الطبقة المعدنية، تم تجميع ثلاثة أنواع من البطاريات: واحدة بطبقة رقيقة من الألومنيوم بين أنود الليثيوم والكهارل الصلب، وواحدة بطبقة رقيقة من التنغستن، وواحدة بدون طبقة معدنية.

قبل اختبار البطاريات، استخدم العلماء مجهرًا عالي الطاقة، يُسمى المجهر الإلكتروني الماسح، للنظر عن كثب إلى الحدود بين الأنود والكهارل.لقد رأوا فجوات وفتحات صغيرة في العينة بدون طبقة معدنية، مشيرين إلى أن هذه العيوب هي أماكن محتملة لنمو التشعبات.تبدو كلتا البطاريات ذات طبقات الألومنيوم والتنغستن سلسة ومستمرة.

في التجربة الأولى، تم تمرير تيار كهربائي ثابت عبر كل بطارية لمدة 24 ساعة.البطارية التي لا تحتوي على طبقة معدنية حدثت بها دائرة قصر وفشلت خلال الـ 9 ساعات الأولى، على الأرجح بسبب نمو التغصنات.لم تفشل أي من البطاريات المصنوعة من الألومنيوم أو التنغستن في هذه التجربة الأولية.

من أجل تحديد الطبقة المعدنية التي كانت أفضل في وقف نمو التغصنات، تم إجراء تجربة أخرى على عينات طبقة الألومنيوم والتنغستن فقط.في هذه التجربة، تم تدوير البطاريات من خلال زيادة كثافات التيار، بدءًا من التيار المستخدم في التجربة السابقة وزيادته بكمية صغيرة في كل خطوة.

يُعتقد أن كثافة التيار التي يتم عندها قصر دائرة البطارية هي كثافة التيار الحرجة لنمو التشعبات.تعطلت البطارية ذات طبقة الألومنيوم عند ثلاثة أضعاف تيار البداية، وفشلت البطارية ذات طبقة التنجستن عند أكثر من خمسة أضعاف تيار البداية.تظهر هذه التجربة أن التنغستن تفوق على الألومنيوم.

مرة أخرى، استخدم العلماء المجهر الإلكتروني الماسح لفحص الحدود بين الأنود والكهارل.لقد رأوا أن الفراغات بدأت تتشكل في الطبقة المعدنية عند ثلثي كثافات التيار الحرجة المقاسة في التجربة السابقة.ومع ذلك، لم تكن الفراغات موجودة عند ثلث كثافة التيار الحرج.وهذا يؤكد أن تشكيل الفراغ لا يمضي في نمو التغصنات.

ثم أجرى العلماء حسابات حسابية لفهم كيفية تفاعل الليثيوم مع هذه المعادن، وذلك باستخدام ما نعرفه عن كيفية استجابة التنغستن والألمنيوم لتغيرات الطاقة ودرجات الحرارة.لقد أثبتوا أن طبقات الألومنيوم لديها بالفعل احتمالية أكبر لتكوين الفراغات عند التفاعل مع الليثيوم.إن استخدام هذه الحسابات من شأنه أن يسهل اختيار نوع آخر من المعدن لاختباره في المستقبل.

أظهرت هذه الدراسة أن بطاريات الإلكتروليت الصلبة تكون أكثر موثوقية عند إضافة طبقة معدنية رقيقة بين الإلكتروليت والأنود.وأثبت العلماء أيضًا أن اختيار معدن على آخر، في هذه الحالة التنغستن بدلاً من الألومنيوم، يمكن أن يجعل البطاريات تدوم لفترة أطول.سيؤدي تحسين أداء هذه الأنواع من البطاريات إلى تقريبها خطوة واحدة من استبدال بطاريات الإلكتروليت السائلة شديدة الاشتعال الموجودة في السوق اليوم.