Цэнэглэдэг лити ион батерейг зөөврийн компьютер, гар утаснаас эхлээд цахилгаан машин хүртэл бидний өдөр тутмын амьдралд олон электроникийг тэжээхэд ашигладаг. Өнөөгийн зах зээл дээрх лити ион батерейнууд нь ихэвчлэн эсийн төвд байрлах электролит гэж нэрлэгддэг шингэн уусмал дээр суурилдаг.

Батерей нь төхөөрөмжийг цэнэглэж байх үед литийн ионууд нь сөрөг цэнэгтэй төгсгөл буюу анодоос шингэн электролитоор дамжин эерэг цэнэгтэй төгсгөл буюу катод руу шилждэг. Батерейг цэнэглэж байх үед ионууд нь катодоос электролитоор дамжин анод руу эсрэг чиглэлд урсдаг.

Шингэн электролит дээр суурилдаг литийн ион батерейнууд нь аюулгүй байдлын томоохон асуудалтай байдаг: хэт цэнэглэгдсэн эсвэл богино холболттой үед гал авалцаж болзошгүй. Шингэн электролитийн аюулгүй хувилбар бол анод ба катодын хооронд литийн ионуудыг зөөвөрлөхөд хатуу электролит ашигладаг батерей барих явдал юм.

Гэсэн хэдий ч өмнөх судалгаагаар хатуу электролит нь батерейг цэнэглэж байх үед анод дээр дендрит гэж нэрлэгддэг жижиг металл өсөлт үүсгэдэг болохыг тогтоожээ. Эдгээр дендритүүд нь бага гүйдлийн үед батерейг богино холболттой болгож, ашиглах боломжгүй болгодог.

Дендритийн өсөлт нь электролит ба анодын хил дээрх электролитийн жижиг гажигуудаас эхэлдэг. Энэтхэгийн эрдэмтэд саяхан дендритийн өсөлтийг удаашруулах аргыг нээжээ. Электролит ба анодын хооронд нимгэн металл давхарга нэмснээр дендритүүд анод руу ургахаас сэргийлж чадна.

Эрдэмтэд энэхүү нимгэн металл давхаргыг бий болгохын тулд хөнгөн цагаан болон вольфрамыг боломжит металл болгон судлахаар шийдсэн. Учир нь хөнгөн цагаан ч, вольфрам ч аль нь ч литийн холимог буюу хайлшийг үүсгэдэггүй. Эрдэмтэд энэ нь литид согог үүсэх магадлалыг бууруулна гэж үзэж байсан. Хэрэв сонгосон металл нь литийн хайлшаар хайлсан бол бага хэмжээний литийн хэмжээ цаг хугацааны явцад металлын давхарга руу шилжиж болно. Энэ нь литид хоосон зай гэж нэрлэгддэг согог үлдээж, улмаар дендрит үүсч болно.

Металл давхаргын үр нөлөөг шалгахын тулд гурван төрлийн батерейг угсарсан: нэг нь литийн анод ба хатуу электролитийн хооронд нимгэн хөнгөн цагаан давхаргатай, нэг нь нимгэн вольфрамын давхаргатай, нөгөө нь металл давхаргагүй.

Батерейг туршихаасаа өмнө эрдэмтэд анод болон электролитийн хоорондох заагийг анхааралтай ажиглахын тулд сканнердах электрон микроскоп гэж нэрлэгддэг өндөр хүчин чадалтай микроскоп ашигласан. Тэд дээжинд металл давхаргагүй жижиг зай завсар, нүхнүүд байгааг харсан бөгөөд эдгээр согог нь дендрит ургах магадлалтай газар болохыг тэмдэглэжээ. Хөнгөн цагаан болон вольфрамын давхаргатай батерейнууд хоёулаа жигд, тасралтгүй харагдаж байв.

Эхний туршилтаар батерей бүрээр 24 цагийн турш тогтмол цахилгаан гүйдэл дамжуулсан. Металл давхаргагүй батерей богино холболттой болж, эхний 9 цагийн дотор ажиллахаа больсон нь дендритийн өсөлтөөс үүдэлтэй байж магадгүй юм. Энэ анхны туршилтад хөнгөн цагаан эсвэл вольфрамтай батерейны аль нь ч ажиллахаа больсон.

Дендритийн өсөлтийг зогсооход аль металлын давхарга илүү сайн болохыг тодорхойлохын тулд зөвхөн хөнгөн цагаан болон вольфрамын давхаргын дээж дээр өөр нэг туршилт хийсэн. Энэ туршилтад батерейг өмнөх туршилтад ашигласан гүйдлээс эхлэн алхам тутамд бага хэмжээгээр нэмэгдүүлж, гүйдлийн нягтралыг нэмэгдүүлэх замаар эргэлтэд оруулсан.

Батерейны богино холболт үүссэн гүйдлийн нягтрал нь дендритийн өсөлтийн чухал гүйдлийн нягтрал гэж үздэг байсан. Хөнгөн цагаан давхаргатай батерей нь эхлэх гүйдлээс гурав дахин их, вольфрамын давхаргатай батерей нь эхлэх гүйдлээс тав дахин их хэмжээгээр эвдэрсэн. Энэхүү туршилтаар вольфрам нь хөнгөн цагаанаас илүү сайн гүйцэтгэлтэй болохыг харуулж байна.

Эрдэмтэд дахин сканнердах электрон микроскоп ашиглан анод ба электролитийн хоорондох хил хязгаарыг шалгасан. Тэд өмнөх туршилтаар хэмжсэн гүйдлийн нягтралын гуравны хоёрт металлын давхаргад хоосон зай үүсч эхэлсэн болохыг харсан. Гэсэн хэдий ч гүйдлийн нягтралын гуравны нэгт хоосон зай байгаагүй. Энэ нь хоосон зай үүсэх нь дендритийн өсөлт үргэлжилдэг болохыг баталсан.

Дараа нь эрдэмтэд вольфрам болон хөнгөн цагаан нь энерги болон температурын өөрчлөлтөд хэрхэн хариу үйлдэл үзүүлдэг талаар бидний мэддэг зүйлийг ашиглан лити эдгээр металлуудтай хэрхэн харилцан үйлчилдэгийг ойлгохын тулд тооцооллын тооцоолол хийсэн. Тэд хөнгөн цагаан давхаргууд нь лититэй харилцан үйлчлэх үед хоосон зай үүсэх магадлал өндөр байгааг харуулсан. Эдгээр тооцооллыг ашиглах нь ирээдүйд турших өөр төрлийн металлыг сонгоход хялбар болгоно.

Энэхүү судалгаагаар хатуу электролитийн батерей нь электролит болон анодын хооронд нимгэн металл давхарга нэмэхэд илүү найдвартай болохыг харуулсан. Эрдэмтэд мөн нэг металлыг нөгөөгийнх нь оронд сонгох нь, энэ тохиолдолд хөнгөн цагааны оронд вольфрам сонгох нь батерейг бүр ч удаан ашиглах боломжтой болохыг харуулсан. Эдгээр төрлийн батерейны гүйцэтгэлийг сайжруулснаар өнөөгийн зах зээл дээрх маш шатамхай шингэн электролитийн батерейг орлоход нэг алхам ойртох болно.