Pin lithium-ion sạc lại được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị điện tử trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, từ máy tính xách tay và điện thoại di động đến ô tô điện. Pin lithium-ion trên thị trường hiện nay thường dựa vào một dung dịch lỏng, được gọi là chất điện phân, nằm ở trung tâm của pin.

Khi pin cung cấp năng lượng cho thiết bị, các ion liti di chuyển từ đầu tích điện âm, hay cực dương, qua chất điện phân lỏng, đến đầu tích điện dương, hay cực âm. Khi pin đang được sạc lại, các ion di chuyển theo chiều ngược lại từ cực âm, qua chất điện phân, đến cực dương.

Pin lithium-ion sử dụng chất điện phân lỏng có một vấn đề an toàn nghiêm trọng: chúng có thể bốc cháy khi sạc quá mức hoặc bị đoản mạch. Một giải pháp thay thế an toàn hơn cho chất điện phân lỏng là chế tạo pin sử dụng chất điện phân rắn để vận chuyển các ion lithium giữa cực dương và cực âm.

Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng chất điện phân rắn dẫn đến sự hình thành các cấu trúc kim loại nhỏ, gọi là dendrite, tích tụ trên cực dương trong quá trình sạc pin. Những dendrite này gây đoản mạch pin ở dòng điện thấp, khiến pin không thể sử dụng được.

Sự phát triển của các nhánh tinh thể (dendrite) bắt đầu từ những khuyết điểm nhỏ trong chất điện phân tại ranh giới giữa chất điện phân và cực dương. Các nhà khoa học ở Ấn Độ gần đây đã phát hiện ra một cách để làm chậm sự phát triển của các nhánh tinh thể. Bằng cách thêm một lớp kim loại mỏng giữa chất điện phân và cực dương, họ có thể ngăn chặn các nhánh tinh thể phát triển vào cực dương.

Các nhà khoa học đã chọn nghiên cứu nhôm và vonfram làm kim loại khả thi để tạo ra lớp kim loại mỏng này. Lý do là vì cả nhôm và vonfram đều không trộn lẫn hoặc tạo hợp kim với lithi. Các nhà khoa học tin rằng điều này sẽ làm giảm khả năng hình thành các khuyết tật trong lithi. Nếu kim loại được chọn tạo hợp kim với lithi, một lượng nhỏ lithi có thể di chuyển vào lớp kim loại theo thời gian. Điều này sẽ tạo ra một loại khuyết tật gọi là lỗ rỗng trong lithi, nơi mà sau đó có thể hình thành các nhánh tinh thể (dendrite).

Để kiểm tra hiệu quả của lớp kim loại, ba loại pin đã được lắp ráp: một loại có lớp nhôm mỏng giữa cực dương lithium và chất điện phân rắn, một loại có lớp vonfram mỏng và một loại không có lớp kim loại.

Trước khi thử nghiệm pin, các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi công suất cao, được gọi là kính hiển vi điện tử quét, để quan sát kỹ ranh giới giữa cực dương và chất điện phân. Họ thấy những khe hở và lỗ nhỏ trong mẫu không có lớp kim loại, lưu ý rằng những khuyết điểm này có khả năng là nơi để các nhánh tinh thể (dendrites) phát triển. Cả hai loại pin có lớp nhôm và vonfram đều trông mịn và liền mạch.

Trong thí nghiệm đầu tiên, dòng điện không đổi được dẫn qua từng viên pin trong 24 giờ. Viên pin không có lớp kim loại bị đoản mạch và hỏng trong vòng 9 giờ đầu tiên, có thể do sự phát triển của các nhánh tinh thể (dendrite). Cả hai viên pin có lớp nhôm và vonfram đều không bị hỏng trong thí nghiệm ban đầu này.

Để xác định lớp kim loại nào tốt hơn trong việc ngăn chặn sự phát triển của các nhánh tinh thể, một thí nghiệm khác đã được thực hiện chỉ trên các mẫu lớp nhôm và vonfram. Trong thí nghiệm này, pin được nạp/xả với mật độ dòng điện tăng dần, bắt đầu từ dòng điện được sử dụng trong thí nghiệm trước và tăng một lượng nhỏ ở mỗi bước.

Mật độ dòng điện gây đoản mạch pin được cho là mật độ dòng điện tới hạn cho sự phát triển của các nhánh tinh thể (dendrite). Pin có lớp nhôm bị hỏng ở dòng điện gấp ba lần dòng điện ban đầu, và pin có lớp vonfram bị hỏng ở dòng điện gấp hơn năm lần dòng điện ban đầu. Thí nghiệm này cho thấy vonfram hoạt động tốt hơn nhôm.

Một lần nữa, các nhà khoa học sử dụng kính hiển vi điện tử quét để kiểm tra ranh giới giữa cực dương và chất điện phân. Họ nhận thấy rằng các lỗ rỗng bắt đầu hình thành trong lớp kim loại ở mức hai phần ba mật độ dòng điện tới hạn đo được trong thí nghiệm trước đó. Tuy nhiên, không có lỗ rỗng nào xuất hiện ở mức một phần ba mật độ dòng điện tới hạn. Điều này xác nhận rằng sự hình thành lỗ rỗng diễn ra trước khi quá trình phát triển của các nhánh tinh thể diễn ra.

Các nhà khoa học sau đó đã tiến hành các phép tính toán học để hiểu cách lithium tương tác với các kim loại này, dựa trên những hiểu biết về cách vonfram và nhôm phản ứng với sự thay đổi năng lượng và nhiệt độ. Họ đã chứng minh rằng các lớp nhôm thực sự có khả năng hình thành các lỗ rỗng cao hơn khi tương tác với lithium. Việc sử dụng các phép tính này sẽ giúp dễ dàng hơn trong việc lựa chọn một loại kim loại khác để thử nghiệm trong tương lai.

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng pin điện phân rắn hoạt động đáng tin cậy hơn khi có thêm một lớp kim loại mỏng giữa chất điện phân và cực dương. Các nhà khoa học cũng chứng minh rằng việc lựa chọn một kim loại này thay vì kim loại khác, trong trường hợp này là vonfram thay vì nhôm, có thể giúp pin hoạt động bền lâu hơn. Việc cải thiện hiệu suất của loại pin này sẽ giúp chúng tiến gần hơn đến việc thay thế các loại pin điện phân lỏng dễ cháy hiện có trên thị trường.