रिचार्जेबल लिथियम आयन ब्याट्रीहरू हाम्रो दैनिक जीवनमा धेरै इलेक्ट्रोनिक्स उपकरणहरूलाई पावर दिन प्रयोग गरिन्छ, ल्यापटप र सेलफोनदेखि इलेक्ट्रिक कारहरू सम्म। आज बजारमा पाइने लिथियम आयन ब्याट्रीहरू सामान्यतया कोषको केन्द्रमा इलेक्ट्रोलाइट भनिने तरल घोलमा निर्भर हुन्छन्।

जब ब्याट्रीले उपकरणलाई पावर दिइरहेको हुन्छ, लिथियम आयनहरू नकारात्मक रूपमा चार्ज गरिएको छेउ वा एनोडबाट तरल इलेक्ट्रोलाइट हुँदै सकारात्मक रूपमा चार्ज गरिएको छेउ वा क्याथोडमा सर्छन्। जब ब्याट्री रिचार्ज भइरहेको हुन्छ, आयनहरू क्याथोडबाट अर्को दिशामा, इलेक्ट्रोलाइट हुँदै, एनोडमा बग्छन्।

तरल इलेक्ट्रोलाइट्समा निर्भर लिथियम आयन ब्याट्रीहरूमा एउटा प्रमुख सुरक्षा समस्या हुन्छ: अत्यधिक चार्ज हुँदा वा सर्ट सर्किट हुँदा तिनीहरू आगो लाग्न सक्छन्। तरल इलेक्ट्रोलाइट्सको सुरक्षित विकल्प भनेको एनोड र क्याथोड बीच लिथियम आयनहरू बोक्न ठोस इलेक्ट्रोलाइट प्रयोग गर्ने ब्याट्री निर्माण गर्नु हो।

यद्यपि, अघिल्ला अध्ययनहरूले पत्ता लगाएका छन् कि ठोस इलेक्ट्रोलाइटले ब्याट्री चार्ज गर्दा एनोडमा जम्मा हुने डेन्ड्राइट भनिने साना धातुको वृद्धि निम्त्याउँछ। यी डेन्ड्राइटहरूले कम करेन्टमा ब्याट्रीहरूलाई सर्ट सर्किट गर्छन्, जसले गर्दा तिनीहरू प्रयोग गर्न नसकिने हुन्छन्।

इलेक्ट्रोलाइट र एनोड बीचको सिमानामा इलेक्ट्रोलाइटमा हुने सानो कमजोरीबाट डेन्ड्राइटको वृद्धि सुरु हुन्छ। भारतका वैज्ञानिकहरूले हालै डेन्ड्राइटको वृद्धिलाई ढिलो गर्ने तरिका पत्ता लगाएका छन्। इलेक्ट्रोलाइट र एनोड बीच पातलो धातुको तह थपेर, तिनीहरूले डेन्ड्राइटहरूलाई एनोडमा बढ्नबाट रोक्न सक्छन्।

यो पातलो धातुको तह बनाउन वैज्ञानिकहरूले सम्भावित धातुहरूको रूपमा एल्युमिनियम र टंगस्टन अध्ययन गर्ने छनौट गरे। यो किनभने न त एल्युमिनियम न त टंगस्टन मिसिन्छ, न त मिश्र धातु लिथियमसँग। वैज्ञानिकहरूले विश्वास गरे कि यसले लिथियममा त्रुटिहरू बन्ने सम्भावना कम गर्नेछ। यदि छनौट गरिएको धातुले लिथियमसँग मिश्र धातु गर्छ भने, लिथियमको थोरै मात्रा समयसँगै धातुको तहमा जान सक्छ। यसले लिथियममा शून्य भनिने एक प्रकारको त्रुटि छोड्नेछ जहाँ डेन्ड्राइट बन्न सक्छ।

धातुको तहको प्रभावकारिता परीक्षण गर्न, तीन प्रकारका ब्याट्रीहरू भेला गरियो: लिथियम एनोड र ठोस इलेक्ट्रोलाइटको बीचमा एल्युमिनियमको पातलो तह भएको एउटा, टंगस्टनको पातलो तह भएको एउटा, र धातुको तह नभएको अर्को।

ब्याट्रीहरूको परीक्षण गर्नुअघि, वैज्ञानिकहरूले एनोड र इलेक्ट्रोलाइट बीचको सीमालाई नजिकबाट हेर्नको लागि स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप भनिने उच्च शक्ति भएको माइक्रोस्कोप प्रयोग गरे। उनीहरूले नमूनामा धातुको तह नभएको साना खाडल र प्वालहरू देखे, जसले गर्दा यी कमजोरीहरू डेन्ड्राइटहरू बढ्ने सम्भावना बढी हुन्छ भन्ने कुरा उल्लेख गरे। एल्युमिनियम र टंगस्टन तह भएका दुवै ब्याट्रीहरू सहज र निरन्तर देखिन्थे।

पहिलो प्रयोगमा, प्रत्येक ब्याट्रीमा २४ घण्टासम्म स्थिर विद्युतीय प्रवाह चलाइएको थियो। धातुको तह नभएको ब्याट्री पहिलो ९ घण्टा भित्र सर्ट सर्किट भयो र असफल भयो, सम्भवतः डेन्ड्राइट वृद्धिको कारणले। यस प्रारम्भिक प्रयोगमा आल्मुनियम वा टंगस्टन भएको ब्याट्री दुवै असफल भएन।

डेन्ड्राइटको वृद्धि रोक्न कुन धातुको तह राम्रो छ भनेर निर्धारण गर्न, केवल एल्युमिनियम र टंगस्टन तहको नमूनाहरूमा अर्को प्रयोग गरिएको थियो। यस प्रयोगमा, ब्याट्रीहरूलाई बढ्दो वर्तमान घनत्व मार्फत साइकल गरिएको थियो, अघिल्लो प्रयोगमा प्रयोग गरिएको वर्तमानबाट सुरु गर्दै र प्रत्येक चरणमा थोरै मात्रामा बढाउँदै।

ब्याट्री सर्ट सर्किट भएको वर्तमान घनत्व डेन्ड्राइट वृद्धिको लागि महत्वपूर्ण वर्तमान घनत्व मानिन्थ्यो। एल्युमिनियम तह भएको ब्याट्री सुरुवाती प्रवाहको तीन गुणा बढीमा असफल भयो, र टंगस्टन तह भएको ब्याट्री सुरुवाती प्रवाहको पाँच गुणा बढीमा असफल भयो। यो प्रयोगले देखाउँछ कि टंगस्टनले एल्युमिनियमलाई राम्रो प्रदर्शन गर्‍यो।

फेरि, वैज्ञानिकहरूले एनोड र इलेक्ट्रोलाइट बीचको सीमा निरीक्षण गर्न स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप प्रयोग गरे। उनीहरूले देखे कि अघिल्लो प्रयोगमा मापन गरिएको क्रिटिकल करेन्ट डेन्सिटीको दुई तिहाइमा धातुको तहमा रिक्त स्थानहरू बन्न थालेका थिए। यद्यपि, क्रिटिकल करेन्ट डेन्सिटीको एक तिहाइमा रिक्त स्थानहरू उपस्थित थिएनन्। यसले पुष्टि गर्‍यो कि रिक्त स्थान गठनले डेन्ड्राइटको वृद्धिलाई अगाडि बढाउँछ।

त्यसपछि वैज्ञानिकहरूले टंगस्टन र एल्युमिनियमले ऊर्जा र तापक्रम परिवर्तनहरूमा कसरी प्रतिक्रिया दिन्छन् भन्ने बारे हामीलाई थाहा भएको कुरा प्रयोग गरेर लिथियमले यी धातुहरूसँग कसरी अन्तरक्रिया गर्छ भनेर बुझ्न कम्प्युटेसनल गणनाहरू चलाए। उनीहरूले प्रदर्शन गरे कि लिथियमसँग अन्तरक्रिया गर्दा एल्युमिनियम तहहरूमा शून्यता विकास हुने सम्भावना बढी हुन्छ। यी गणनाहरू प्रयोग गर्दा भविष्यमा परीक्षण गर्न अर्को प्रकारको धातु छनौट गर्न सजिलो हुनेछ।

यस अध्ययनले इलेक्ट्रोलाइट र एनोडको बीचमा पातलो धातुको तह थप्दा ठोस इलेक्ट्रोलाइट ब्याट्रीहरू बढी भरपर्दो हुने देखाएको छ। वैज्ञानिकहरूले यो पनि प्रदर्शन गरे कि यस अवस्थामा एल्युमिनियमको सट्टा टंगस्टनले एउटा धातुलाई अर्कोमा छनौट गर्नाले ब्याट्रीहरू अझ लामो समयसम्म टिक्न सक्छ। यी प्रकारका ब्याट्रीहरूको कार्यसम्पादनमा सुधार गर्नाले तिनीहरूलाई आज बजारमा अत्यधिक ज्वलनशील तरल इलेक्ट्रोलाइट ब्याट्रीहरू प्रतिस्थापन गर्ने एक कदम नजिक ल्याउनेछ।