Վերալիցքավորվող լիթիում-իոնային մարտկոցները օգտագործվում են մեր առօրյա կյանքում բազմաթիվ էլեկտրոնիկա սնուցելու համար՝ սկսած նոութբուքերից և բջջային հեռախոսներից մինչև էլեկտրական մեքենաներ: Այսօր շուկայում առկա լիթիում-իոնային մարտկոցները սովորաբար հիմնված են բջջի կենտրոնում գտնվող հեղուկ լուծույթի, որը կոչվում է էլեկտրոլիտ, վրա:

Երբ մարտկոցը սնուցում է սարքը, լիթիումի իոնները բացասական լիցքավորված ծայրից կամ անոդից հեղուկ էլեկտրոլիտի միջով անցնում են դեպի դրական լիցքավորված ծայրը կամ կաթոդը։ Երբ մարտկոցը լիցքավորվում է, իոնները հոսում են հակառակ ուղղությամբ՝ կաթոդից, էլեկտրոլիտի միջով դեպի անոդ։

Լիթիում-իոնային մարտկոցները, որոնք հիմնված են հեղուկ էլեկտրոլիտների վրա, ունեն լուրջ անվտանգության խնդիր. դրանք կարող են բռնկվել գերլիցքավորման կամ կարճ միացման դեպքում: Հեղուկ էլեկտրոլիտների ավելի անվտանգ այլընտրանք է այնպիսի մարտկոցի ստեղծումը, որն օգտագործում է պինդ էլեկտրոլիտ՝ լիթիումի իոնները անոդի և կաթոդի միջև տեղափոխելու համար:

Սակայն նախորդ ուսումնասիրությունները պարզել են, որ պինդ էլեկտրոլիտը հանգեցնում է փոքր մետաղական գոյացությունների, որոնք կոչվում են դենդրիտներ, որոնք կուտակվում են անոդի վրա մարտկոցի լիցքավորման ժամանակ: Այս դենդրիտները կարճ միացում են առաջացնում մարտկոցների մոտ ցածր հոսանքների դեպքում, ինչը դրանք դարձնում է անօգտագործելի:

Դենդրիտների աճը սկսվում է էլեկտրոլիտի և անոդի սահմանին գտնվող փոքր թերություններից: Հնդկաստանի գիտնականները վերջերս հայտնաբերել են դենդրիտների աճը դանդաղեցնելու միջոց: Էլեկտրոլիտի և անոդի միջև բարակ մետաղական շերտ ավելացնելով՝ նրանք կարող են կանխել դենդրիտների աճը անոդի մեջ:

Գիտնականները որոշեցին ուսումնասիրել ալյումինը և վոլֆրամը որպես հնարավոր մետաղներ՝ այս բարակ մետաղական շերտը կառուցելու համար։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ ո՛չ ալյումինը, ո՛չ էլ վոլֆրամը չեն խառնվում կամ չեն համաձուլվում լիթիումի հետ։ Գիտնականները կարծում էին, որ սա կնվազեցնի լիթիումի մեջ արատների առաջացման հավանականությունը։ Եթե ընտրված մետաղը համաձուլվեր լիթիումի հետ, ժամանակի ընթացքում լիթիումի փոքր քանակությունները կարող են տեղափոխվել մետաղական շերտ։ Սա լիթիումի մեջ կթողնի մի տեսակ արատ, որը կոչվում է դատարկություն, որտեղից հետո կարող է առաջանալ դենդրիտ։

Մետաղական շերտի արդյունավետությունը ստուգելու համար հավաքվել են երեք տեսակի մարտկոցներ՝ մեկը՝ լիթիումի անոդի և պինդ էլեկտրոլիտի միջև ալյումինի բարակ շերտով, մեկը՝ վոլֆրամի բարակ շերտով, և մեկը՝ առանց մետաղական շերտի։

Մարտկոցները փորձարկելուց առաջ գիտնականները օգտագործել են բարձր հզորության մանրադիտակ, որը կոչվում է սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակ, անոդի և էլեկտրոլիտի միջև սահմանը ուշադիր ուսումնասիրելու համար: Նրանք նմուշում տեսել են փոքր ճեղքեր և անցքեր՝ առանց մետաղական շերտի, նշելով, որ այդ թերությունները, հավանաբար, դենդրիտների աճի վայրեր են: Ալյումինե և վոլֆրամե շերտերով երկու մարտկոցներն էլ հարթ և անընդհատ տեսք ունեին:

Առաջին փորձի ժամանակ յուրաքանչյուր մարտկոցով 24 ժամվա ընթացքում անընդհատ էլեկտրական հոսանք է անցել։ Մետաղական շերտ չունեցող մարտկոցը կարճ միացում է ունեցել և խափանվել առաջին 9 ժամվա ընթացքում, հավանաբար դենդրիտների աճի պատճառով։ Այս սկզբնական փորձի ժամանակ ո՛չ ալյումինե, ո՛չ վոլֆրամե մարտկոցները չեն խափանվել։

Որպեսզի որոշվի, թե որ մետաղական շերտն է ավելի լավ կանգնեցնում դենդրիտների աճը, մեկ այլ փորձ է իրականացվել միայն ալյումինի և վոլֆրամի շերտերի նմուշների վրա: Այս փորձի ընթացքում մարտկոցները ցիկլային եղանակով անցել են աճող հոսանքի խտության միջով՝ սկսած նախորդ փորձի ժամանակ օգտագործված հոսանքից և յուրաքանչյուր քայլում փոքր-ինչ մեծանալով:

Հոսանքի խտությունը, որի դեպքում մարտկոցը կարճ միացավ, համարվում էր դենդրիտների աճի համար կրիտիկական հոսանքի խտություն: Ալյումինե շերտով մարտկոցը խափանվել է մեկնարկային հոսանքի երեք անգամ մեծ լինելու դեպքում, իսկ վոլֆրամի շերտով մարտկոցը խափանվել է մեկնարկային հոսանքի հինգ անգամ մեծ լինելու դեպքում: Այս փորձը ցույց է տալիս, որ վոլֆրամը գերազանցել է ալյումինին:

Գիտնականները կրկին օգտագործեցին սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակ՝ անոդի և էլեկտրոլիտի միջև սահմանը ուսումնասիրելու համար։ Նրանք նկատեցին, որ մետաղական շերտում դատարկություններ են սկսել առաջանալ նախորդ փորձի ընթացքում չափված կրիտիկական հոսանքի խտության երկու երրորդի դեպքում։ Սակայն, դատարկություններ չկան կրիտիկական հոսանքի խտության մեկ երրորդի դեպքում։ Սա հաստատեց, որ դատարկությունների առաջացումը իսկապես տեղի է ունենում դենդրիտների աճի ընթացքում։

Այնուհետև գիտնականները կատարեցին հաշվողական հաշվարկներ՝ հասկանալու համար, թե ինչպես է լիթիումը փոխազդում այս մետաղների հետ՝ օգտագործելով այն, ինչ մենք գիտենք վոլֆրամի և ալյումինի էներգիայի և ջերմաստիճանի փոփոխություններին արձագանքելու մասին: Նրանք ցույց տվեցին, որ ալյումինե շերտերը իսկապես ավելի մեծ հավանականություն ունեն դատարկությունների առաջացման՝ լիթիումի հետ փոխազդելիս: Այս հաշվարկների օգտագործումը կհեշտացնի ապագայում փորձարկման համար մետաղի մեկ այլ տեսակի ընտրությունը:

Այս ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ պինդ էլեկտրոլիտային մարտկոցներն ավելի հուսալի են, երբ էլեկտրոլիտի և անոդի միջև ավելացվում է բարակ մետաղական շերտ: Գիտնականները նաև ցույց են տվել, որ մեկ մետաղի՝ ալյումինի փոխարեն վոլֆրամի փոխարեն ընտրությունը կարող է մարտկոցներն ավելի երկար ծառայել: Այս տեսակի մարտկոցների աշխատանքի բարելավումը դրանք մեկ քայլով ավելի կմոտեցնի շուկայում առկա դյուրավառ հեղուկ էլեկտրոլիտային մարտկոցների փոխարինմանը: