રિચાર્જેબલ લિથિયમ આયન બેટરીનો ઉપયોગ આપણા રોજિંદા જીવનમાં, લેપટોપ અને સેલફોનથી લઈને ઇલેક્ટ્રિક કાર સુધી, ઘણા ઇલેક્ટ્રોનિક્સને પાવર આપવા માટે થાય છે. આજે બજારમાં ઉપલબ્ધ લિથિયમ આયન બેટરી સામાન્ય રીતે કોષના કેન્દ્રમાં ઇલેક્ટ્રોલાઇટ નામના પ્રવાહી દ્રાવણ પર આધાર રાખે છે.

જ્યારે બેટરી ઉપકરણને પાવર આપતી હોય છે, ત્યારે લિથિયમ આયનો નકારાત્મક ચાર્જવાળા છેડા અથવા એનોડથી પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા હકારાત્મક ચાર્જવાળા છેડા અથવા કેથોડ તરફ જાય છે. જ્યારે બેટરી રિચાર્જ કરવામાં આવે છે, ત્યારે આયનો કેથોડથી બીજી દિશામાં, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા, એનોડ તરફ વહે છે.

લિથિયમ આયન બેટરી જે લિક્વિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ પર આધાર રાખે છે તેમાં સલામતીનો મોટો મુદ્દો હોય છે: જ્યારે ઓવરચાર્જ થાય છે અથવા શોર્ટ સર્કિટ થાય છે ત્યારે તે આગ પકડી શકે છે. લિક્વિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો સલામત વિકલ્પ એ છે કે એવી બેટરી બનાવવી જે એનોડ અને કેથોડ વચ્ચે લિથિયમ આયનોને વહન કરવા માટે ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ કરે.

જોકે, અગાઉના અભ્યાસોમાં જાણવા મળ્યું છે કે ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ નાના ધાતુના વિકાસ તરફ દોરી જાય છે, જેને ડેંડ્રાઇટ્સ કહેવાય છે, જે બેટરી ચાર્જ કરતી વખતે એનોડ પર જમા થતા હતા. આ ડેંડ્રાઇટ્સ ઓછા પ્રવાહ પર બેટરીઓને શોર્ટ સર્કિટ કરે છે, જેનાથી તે બિનઉપયોગી બની જાય છે.

ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને એનોડ વચ્ચેની સીમા પર ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં નાની ખામીઓથી ડેંડ્રાઇટનો વિકાસ શરૂ થાય છે. ભારતના વૈજ્ઞાનિકોએ તાજેતરમાં ડેંડ્રાઇટના વિકાસને ધીમો કરવાનો એક માર્ગ શોધી કાઢ્યો છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને એનોડ વચ્ચે પાતળો ધાતુનો પડ ઉમેરીને, તેઓ ડેંડ્રાઇટ્સને એનોડમાં વધતા અટકાવી શકે છે.

આ પાતળા ધાતુ સ્તર બનાવવા માટે વૈજ્ઞાનિકોએ શક્ય ધાતુઓ તરીકે એલ્યુમિનિયમ અને ટંગસ્ટનનો અભ્યાસ કરવાનું પસંદ કર્યું. આનું કારણ એ છે કે એલ્યુમિનિયમ કે ટંગસ્ટન લિથિયમ સાથે ભળતા નથી, અથવા મિશ્ર ધાતુ નથી. વૈજ્ઞાનિકોનું માનવું હતું કે આનાથી લિથિયમમાં ખામીઓ બનવાની શક્યતા ઓછી થશે. જો પસંદ કરેલી ધાતુ લિથિયમ સાથે મિશ્ર ધાતુ બનાવે છે, તો સમય જતાં લિથિયમની થોડી માત્રા ધાતુના સ્તરમાં જઈ શકે છે. આ લિથિયમમાં એક પ્રકારની ખામી છોડી દેશે જેને ખાલી જગ્યા કહેવાય છે જ્યાં ડેંડ્રાઇટ બની શકે છે.

ધાતુના સ્તરની અસરકારકતા ચકાસવા માટે, ત્રણ પ્રકારની બેટરીઓ એસેમ્બલ કરવામાં આવી હતી: એક જેમાં લિથિયમ એનોડ અને ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વચ્ચે એલ્યુમિનિયમનો પાતળો પડ હતો, એકમાં ટંગસ્ટનનો પાતળો પડ હતો, અને એક જેમાં ધાતુનો પડ નહોતો.

બેટરીઓનું પરીક્ષણ કરતા પહેલા, વૈજ્ઞાનિકોએ એનોડ અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વચ્ચેની સીમાને નજીકથી જોવા માટે સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ નામના ઉચ્ચ શક્તિવાળા માઇક્રોસ્કોપનો ઉપયોગ કર્યો. તેઓએ નમૂનામાં ધાતુના સ્તર વિના નાના ગાબડા અને છિદ્રો જોયા, અને નોંધ્યું કે આ ખામીઓ ડેંડ્રાઇટ્સના વિકાસ માટે સંભવિત સ્થાનો છે. એલ્યુમિનિયમ અને ટંગસ્ટન સ્તરોવાળી બંને બેટરીઓ સરળ અને સતત દેખાતી હતી.

પહેલા પ્રયોગમાં, દરેક બેટરીમાં 24 કલાક માટે સતત વિદ્યુત પ્રવાહ ચલાવવામાં આવ્યો. ધાતુના સ્તર વિનાની બેટરી શોર્ટ સર્કિટ થઈ ગઈ અને પહેલા 9 કલાકમાં નિષ્ફળ ગઈ, કદાચ ડેંડ્રાઇટ વૃદ્ધિને કારણે. આ શરૂઆતના પ્રયોગમાં એલ્યુમિનિયમ કે ટંગસ્ટનવાળી બેટરી નિષ્ફળ ગઈ નહીં.

ડેંડ્રાઇટ વૃદ્ધિને રોકવા માટે કયો ધાતુનો સ્તર વધુ સારી રીતે કાર્ય કરે છે તે નક્કી કરવા માટે, ફક્ત એલ્યુમિનિયમ અને ટંગસ્ટન સ્તરના નમૂનાઓ પર બીજો પ્રયોગ કરવામાં આવ્યો. આ પ્રયોગમાં, બેટરીઓને વધતી જતી વર્તમાન ઘનતા દ્વારા સાયકલ કરવામાં આવી હતી, જે અગાઉના પ્રયોગમાં ઉપયોગમાં લેવાતા વર્તમાનથી શરૂ થાય છે અને દરેક પગલા પર થોડી માત્રામાં વધારો કરે છે.

બેટરી શોર્ટ સર્કિટ થયેલી કરંટ ડેન્ડ્રાઇટ વૃદ્ધિ માટે મહત્વપૂર્ણ કરંટ ડેન્સિટી માનવામાં આવતી હતી. એલ્યુમિનિયમ સ્તરવાળી બેટરી શરૂઆતના કરંટ કરતા ત્રણ ગણી વધારે નિષ્ફળ ગઈ, અને ટંગસ્ટન સ્તરવાળી બેટરી શરૂઆતના કરંટ કરતા પાંચ ગણી વધારે નિષ્ફળ ગઈ. આ પ્રયોગ દર્શાવે છે કે ટંગસ્ટન એલ્યુમિનિયમ કરતાં વધુ સારું પ્રદર્શન કરી શક્યું.

ફરીથી, વૈજ્ઞાનિકોએ એનોડ અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વચ્ચેની સીમાનું નિરીક્ષણ કરવા માટે સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપનો ઉપયોગ કર્યો. તેમણે જોયું કે અગાઉના પ્રયોગમાં માપવામાં આવેલા ક્રિટિકલ કરંટ ડેન્સિટીના બે તૃતીયાંશ ભાગમાં ધાતુના સ્તરમાં ખાલી જગ્યાઓ બનવા લાગી હતી. જો કે, ક્રિટિકલ કરંટ ડેન્સિટીના એક તૃતીયાંશ ભાગમાં ખાલી જગ્યાઓ હાજર ન હતી. આનાથી પુષ્ટિ મળી કે ખાલી જગ્યાઓ ડેંડ્રાઇટ વૃદ્ધિને આગળ ધપાવે છે.

ત્યારબાદ વૈજ્ઞાનિકોએ ટંગસ્ટન અને એલ્યુમિનિયમ ઊર્જા અને તાપમાનના ફેરફારો પર કેવી પ્રતિક્રિયા આપે છે તે વિશે આપણે જે જાણીએ છીએ તેનો ઉપયોગ કરીને લિથિયમ આ ધાતુઓ સાથે કેવી રીતે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે તે સમજવા માટે ગણતરીત્મક ગણતરીઓ ચલાવી. તેમણે દર્શાવ્યું કે લિથિયમ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતી વખતે એલ્યુમિનિયમ સ્તરોમાં ખાલી જગ્યાઓ વિકસાવવાની શક્યતા ખરેખર વધારે હોય છે. આ ગણતરીઓનો ઉપયોગ ભવિષ્યમાં પરીક્ષણ માટે અન્ય પ્રકારની ધાતુ પસંદ કરવાનું સરળ બનાવશે.

આ અભ્યાસ દર્શાવે છે કે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને એનોડ વચ્ચે પાતળું ધાતુનું સ્તર ઉમેરવામાં આવે ત્યારે સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ બેટરી વધુ વિશ્વસનીય હોય છે. વૈજ્ઞાનિકોએ એ પણ દર્શાવ્યું છે કે એક ધાતુને બીજી ધાતુ પર પસંદ કરવાથી, આ કિસ્સામાં એલ્યુમિનિયમને બદલે ટંગસ્ટન, બેટરીઓ વધુ લાંબા સમય સુધી ટકી શકે છે. આ પ્રકારની બેટરીઓના પ્રદર્શનમાં સુધારો તેમને આજે બજારમાં ઉપલબ્ધ અત્યંત જ્વલનશીલ પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ બેટરીઓને બદલવાની એક ડગલું નજીક લાવશે.