Baterai lithium ion isi ulang digunakan untuk memberi daya pada banyak perangkat elektronik dalam kehidupan sehari-hari kita, mulai dari laptop dan ponsel hingga mobil listrik. Baterai lithium ion yang ada di pasaran saat ini biasanya bergantung pada larutan cair, yang disebut elektrolit, di tengah sel.

Saat baterai memberi daya pada suatu perangkat, ion litium bergerak dari ujung bermuatan negatif, atau anoda, melalui elektrolit cair, ke ujung bermuatan positif, atau katoda. Saat baterai diisi ulang, ion mengalir ke arah sebaliknya dari katoda, melalui elektrolit, ke anoda.

Baterai ion litium yang bergantung pada elektrolit cair memiliki masalah keamanan utama: baterai tersebut dapat terbakar jika kelebihan pengisian daya atau terjadi korsleting. Alternatif yang lebih aman daripada elektrolit cair adalah dengan membuat baterai yang menggunakan elektrolit padat untuk membawa ion litium antara anoda dan katoda.

Namun, penelitian sebelumnya menemukan bahwa elektrolit padat menyebabkan pertumbuhan logam kecil, yang disebut dendrit, yang akan menumpuk pada anoda saat baterai sedang diisi daya. Dendrit ini menyebabkan korsleting pada baterai pada arus rendah, sehingga baterai menjadi tidak dapat digunakan.

Pertumbuhan dendrit dimulai pada cacat kecil di elektrolit pada batas antara elektrolit dan anoda. Para ilmuwan di India baru-baru ini menemukan cara untuk memperlambat pertumbuhan dendrit. Dengan menambahkan lapisan logam tipis antara elektrolit dan anoda, mereka dapat menghentikan pertumbuhan dendrit ke dalam anoda.

Para ilmuwan memilih untuk mempelajari aluminium dan tungsten sebagai logam yang mungkin digunakan untuk membangun lapisan logam tipis ini. Hal ini karena baik aluminium maupun tungsten tidak bercampur, atau membentuk paduan, dengan litium. Para ilmuwan percaya bahwa ini akan menurunkan kemungkinan terbentuknya cacat pada litium. Jika logam yang dipilih membentuk paduan dengan litium, sejumlah kecil litium dapat berpindah ke lapisan logam seiring waktu. Hal ini akan meninggalkan jenis cacat yang disebut rongga pada litium tempat dendrit kemudian dapat terbentuk.

Untuk menguji efektivitas lapisan logam, tiga jenis baterai dirakit: satu dengan lapisan tipis aluminium di antara anoda litium dan elektrolit padat, satu dengan lapisan tipis tungsten, dan satu tanpa lapisan logam.

Sebelum menguji baterai, para ilmuwan menggunakan mikroskop berdaya tinggi, yang disebut mikroskop elektron pemindai, untuk melihat lebih dekat batas antara anoda dan elektrolit. Mereka melihat celah dan lubang kecil pada sampel tanpa lapisan logam, dan mencatat bahwa cacat ini kemungkinan merupakan tempat tumbuhnya dendrit. Baik baterai dengan lapisan aluminium maupun tungsten tampak halus dan kontinu.

Pada percobaan pertama, arus listrik konstan dialirkan melalui setiap baterai selama 24 jam. Baterai tanpa lapisan logam mengalami korsleting dan rusak dalam 9 jam pertama, kemungkinan karena pertumbuhan dendrit. Baik baterai dengan lapisan aluminium maupun tungsten tidak mengalami kegagalan dalam percobaan awal ini.

Untuk menentukan lapisan logam mana yang lebih baik dalam menghentikan pertumbuhan dendrit, percobaan lain dilakukan hanya pada sampel lapisan aluminium dan tungsten. Dalam percobaan ini, baterai dioperasikan dengan peningkatan kerapatan arus, dimulai dari arus yang digunakan pada percobaan sebelumnya dan meningkat sedikit demi sedikit pada setiap langkahnya.

Kepadatan arus di mana baterai mengalami korsleting diyakini sebagai kepadatan arus kritis untuk pertumbuhan dendrit. Baterai dengan lapisan aluminium gagal pada tiga kali arus awal, dan baterai dengan lapisan tungsten gagal pada lebih dari lima kali arus awal. Percobaan ini menunjukkan bahwa tungsten berkinerja lebih baik daripada aluminium.

Sekali lagi, para ilmuwan menggunakan mikroskop elektron pemindai untuk memeriksa batas antara anoda dan elektrolit. Mereka melihat bahwa rongga mulai terbentuk di lapisan logam pada dua pertiga dari kerapatan arus kritis yang diukur dalam percobaan sebelumnya. Namun, rongga tidak ada pada sepertiga dari kerapatan arus kritis. Ini menegaskan bahwa pembentukan rongga memang mendahului pertumbuhan dendrit.

Para ilmuwan kemudian melakukan perhitungan komputasi untuk memahami bagaimana litium berinteraksi dengan logam-logam ini, menggunakan apa yang kita ketahui tentang bagaimana tungsten dan aluminium merespons perubahan energi dan suhu. Mereka menunjukkan bahwa lapisan aluminium memang memiliki kemungkinan lebih tinggi untuk terbentuknya rongga ketika berinteraksi dengan litium. Menggunakan perhitungan ini akan mempermudah pemilihan jenis logam lain untuk diuji di masa mendatang.

Studi ini menunjukkan bahwa baterai elektrolit padat lebih andal ketika lapisan logam tipis ditambahkan di antara elektrolit dan anoda. Para ilmuwan juga menunjukkan bahwa memilih satu logam daripada logam lain, dalam hal ini tungsten вместо aluminium, dapat membuat baterai bertahan lebih lama. Meningkatkan kinerja jenis baterai ini akan membawa mereka selangkah lebih dekat untuk menggantikan baterai elektrolit cair yang sangat mudah terbakar yang ada di pasaran saat ini.