మన దైనందిన జీవితంలో ల్యాప్‌టాప్‌లు, సెల్‌ఫోన్‌ల నుండి ఎలక్ట్రిక్ కార్ల వరకు అనేక ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలకు శక్తిని అందించడానికి రీఛార్జ్ చేయగల లిథియం అయాన్ బ్యాటరీలను ఉపయోగిస్తారు. ప్రస్తుతం మార్కెట్లో ఉన్న లిథియం అయాన్ బ్యాటరీలు సాధారణంగా సెల్ మధ్యలో ఉండే ఎలక్ట్రోలైట్ అనే ద్రవ ద్రావణంపై ఆధారపడి ఉంటాయి.

బ్యాటరీ ఒక పరికరానికి శక్తిని అందిస్తున్నప్పుడు, లిథియం అయాన్లు రుణాత్మకంగా ఆవేశం ఉన్న చివర, అంటే ఆనోడ్ నుండి, ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ గుండా, ధనాత్మకంగా ఆవేశం ఉన్న చివర, అంటే కాథోడ్‌కు కదులుతాయి. బ్యాటరీని రీఛార్జ్ చేస్తున్నప్పుడు, అయాన్లు కాథోడ్ నుండి ఎలక్ట్రోలైట్ గుండా, ఆనోడ్‌కు వ్యతిరేక దిశలో ప్రవహిస్తాయి.

ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్‌లపై ఆధారపడే లిథియం అయాన్ బ్యాటరీలలో ఒక ప్రధాన భద్రతా సమస్య ఉంది: వాటిని ఓవర్‌ఛార్జ్ చేసినప్పుడు లేదా షార్ట్ సర్క్యూట్ అయినప్పుడు అవి మంటలు అంటుకోవచ్చు. ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్‌లకు సురక్షితమైన ప్రత్యామ్నాయం ఏమిటంటే, ఆనోడ్ మరియు కాథోడ్ మధ్య లిథియం అయాన్‌లను రవాణా చేయడానికి ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌ను ఉపయోగించే బ్యాటరీని తయారు చేయడం.

అయితే, గత అధ్యయనాలలో ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ వల్ల, బ్యాటరీ ఛార్జింగ్ అవుతున్నప్పుడు యానోడ్ మీద డెండ్రైట్స్ అని పిలువబడే చిన్న లోహపు పెరుగుదలలు ఏర్పడతాయని కనుగొన్నారు. ఈ డెండ్రైట్స్ తక్కువ కరెంట్ల వద్ద బ్యాటరీలను షార్ట్ సర్క్యూట్ చేసి, వాటిని నిరుపయోగంగా మారుస్తాయి.

ఎలక్ట్రోలైట్ మరియు ఆనోడ్ మధ్య సరిహద్దు వద్ద ఎలక్ట్రోలైట్‌లోని చిన్న లోపాల నుండి డెండ్రైట్ పెరుగుదల ప్రారంభమవుతుంది. భారతదేశంలోని శాస్త్రవేత్తలు ఇటీవల డెండ్రైట్ పెరుగుదలను నెమ్మదింపజేసే ఒక మార్గాన్ని కనుగొన్నారు. ఎలక్ట్రోలైట్ మరియు ఆనోడ్ మధ్య ఒక పలుచని లోహపు పొరను చేర్చడం ద్వారా, వారు డెండ్రైట్‌లు ఆనోడ్‌లోకి పెరగకుండా నిరోధించగలరు.

ఈ పలుచని లోహపు పొరను నిర్మించడానికి శాస్త్రవేత్తలు అల్యూమినియం మరియు టంగ్‌స్టన్‌లను సాధ్యమైన లోహాలుగా అధ్యయనం చేయడానికి ఎంచుకున్నారు. ఎందుకంటే అల్యూమినియం గానీ, టంగ్‌స్టన్ గానీ లిథియంతో కలవవు, లేదా మిశ్రమలోహంగా మారవు. దీనివల్ల లిథియంలో లోపాలు ఏర్పడే అవకాశం తగ్గుతుందని శాస్త్రవేత్తలు భావించారు. ఒకవేళ ఎంచుకున్న లోహం లిథియంతో మిశ్రమలోహంగా మారితే, కాలక్రమేణా కొద్ది మొత్తంలో లిథియం ఆ లోహపు పొరలోకి చేరవచ్చు. దీనివల్ల లిథియంలో శూన్యం (void) అనే ఒక రకమైన లోపం ఏర్పడుతుంది, అక్కడ డెండ్రైట్ ఏర్పడవచ్చు.

లోహపు పొర యొక్క సామర్థ్యాన్ని పరీక్షించడానికి, మూడు రకాల బ్యాటరీలను తయారుచేశారు: ఒకటి లిథియం ఆనోడ్ మరియు ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ మధ్య పలుచని అల్యూమినియం పొరతో, మరొకటి పలుచని టంగ్‌స్టన్ పొరతో, మరియు ఇంకొకటి ఎటువంటి లోహపు పొర లేకుండా.

బ్యాటరీలను పరీక్షించే ముందు, శాస్త్రవేత్తలు యానోడ్ మరియు ఎలక్ట్రోలైట్ మధ్య సరిహద్దును నిశితంగా పరిశీలించడానికి స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ అని పిలువబడే అధిక శక్తి గల సూక్ష్మదర్శినిని ఉపయోగించారు. లోహపు పొర లేని నమూనాలో వారు చిన్న ఖాళీలు మరియు రంధ్రాలను గమనించారు, ఈ లోపాలు డెండ్రైట్‌లు పెరగడానికి అనువైన ప్రదేశాలని గుర్తించారు. అల్యూమినియం మరియు టంగ్‌స్టన్ పొరలు ఉన్న రెండు బ్యాటరీలు నునుపుగా మరియు అవిచ్ఛిన్నంగా కనిపించాయి.

మొదటి ప్రయోగంలో, ప్రతి బ్యాటరీ గుండా 24 గంటల పాటు స్థిరమైన విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని పంపారు. లోహపు పొర లేని బ్యాటరీ, బహుశా డెండ్రైట్ పెరుగుదల కారణంగా, మొదటి 9 గంటలలోనే షార్ట్ సర్క్యూట్ అయి విఫలమైంది. ఈ తొలి ప్రయోగంలో అల్యూమినియం లేదా టంగ్‌స్టన్ ఉన్న ఏ బ్యాటరీ కూడా విఫలం కాలేదు.

డెండ్రైట్ పెరుగుదలను నిరోధించడంలో ఏ లోహపు పొర మెరుగ్గా పనిచేస్తుందో నిర్ధారించడానికి, కేవలం అల్యూమినియం మరియు టంగ్‌స్టన్ పొర నమూనాలపై మరొక ప్రయోగం నిర్వహించబడింది. ఈ ప్రయోగంలో, మునుపటి ప్రయోగంలో ఉపయోగించిన కరెంట్‌తో మొదలుపెట్టి, ప్రతి దశలోనూ కొద్ది మొత్తంలో పెంచుతూ, బ్యాటరీలను పెరుగుతున్న కరెంట్ సాంద్రతల ద్వారా సైకిల్ చేశారు.

బ్యాటరీ షార్ట్ సర్క్యూట్ అయిన కరెంట్ సాంద్రతనే డెండ్రైట్ పెరుగుదలకు కీలకమైన కరెంట్ సాంద్రతగా భావించారు. అల్యూమినియం పొర ఉన్న బ్యాటరీ ప్రారంభ కరెంట్‌కు మూడు రెట్ల వద్ద విఫలం కాగా, టంగ్‌స్టన్ పొర ఉన్న బ్యాటరీ ప్రారంభ కరెంట్‌కు ఐదు రెట్ల కంటే ఎక్కువ వద్ద విఫలమైంది. ఈ ప్రయోగం టంగ్‌స్టన్, అల్యూమినియం కంటే మెరుగైన పనితీరును కనబరిచిందని చూపిస్తుంది.

మరోసారి, శాస్త్రవేత్తలు యానోడ్ మరియు ఎలక్ట్రోలైట్ మధ్య సరిహద్దును పరిశీలించడానికి స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్‌ను ఉపయోగించారు. మునుపటి ప్రయోగంలో కొలిచిన క్రిటికల్ కరెంట్ సాంద్రతలలో మూడింట రెండు వంతుల వద్ద లోహ పొరలో ఖాళీలు ఏర్పడటం ప్రారంభమయ్యాయని వారు గమనించారు. అయితే, క్రిటికల్ కరెంట్ సాంద్రతలో మూడింట ఒక వంతు వద్ద ఖాళీలు లేవు. డెండ్రైట్ పెరుగుదలకు ముందు ఖాళీల ఏర్పాటు జరుగుతుందని ఇది నిర్ధారించింది.

శక్తి మరియు ఉష్ణోగ్రత మార్పులకు టంగ్‌స్టన్ మరియు అల్యూమినియం ఎలా స్పందిస్తాయనే దానిపై మనకు తెలిసిన దానిని ఉపయోగించి, లిథియం ఈ లోహాలతో ఎలా సంకర్షణ చెందుతుందో అర్థం చేసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలు గణనలను నిర్వహించారు. లిథియంతో సంకర్షణ చెందినప్పుడు అల్యూమినియం పొరలలో ఖాళీలు ఏర్పడే అవకాశం నిజంగానే ఎక్కువగా ఉందని వారు నిరూపించారు. ఈ గణనలను ఉపయోగించడం వల్ల భవిష్యత్తులో పరీక్షించడానికి మరో రకమైన లోహాన్ని ఎంచుకోవడం సులభతరం అవుతుంది.

ఎలక్ట్రోలైట్ మరియు ఆనోడ్ మధ్య ఒక పలుచని లోహపు పొరను చేర్చినప్పుడు ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ బ్యాటరీలు మరింత విశ్వసనీయంగా ఉంటాయని ఈ అధ్యయనం వెల్లడించింది. ఒక లోహానికి బదులుగా మరొక లోహాన్ని, ఈ సందర్భంలో అల్యూమినియంకు బదులుగా టంగ్‌స్టన్‌ను ఎంచుకోవడం వల్ల, బ్యాటరీల మన్నిక మరింత పెరగవచ్చని కూడా శాస్త్రవేత్తలు నిరూపించారు. ఈ రకమైన బ్యాటరీల పనితీరును మెరుగుపరచడం ద్వారా, ప్రస్తుతం మార్కెట్లో ఉన్న అత్యంత మండే స్వభావం గల ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ బ్యాటరీల స్థానాన్ని భర్తీ చేసే దిశగా వీటిని ఒక అడుగు ముందుకు తీసుకువెళ్లవచ్చు.