充電式リチウムイオン電池は、ノートパソコンや携帯電話から電気自動車まで、私たちの日常生活における多くの電子機器の電源として使用されています。現在市販されているリチウムイオン電池は、一般的に電池の中心部に電解液と呼ばれる液体溶液を使用しています。

バッテリーが機器に電力を供給しているとき、リチウムイオンは負極（アノード）から液体電解質を通って正極（カソード）へと移動します。バッテリーが充電されるときは、イオンは逆方向に流れ、カソードから電解質を通ってアノードへと移動します。

液体電解質を用いるリチウムイオン電池には、過充電や短絡時に発火する可能性があるという重大な安全上の問題がある。液体電解質に代わるより安全な方法として、正極と負極の間でリチウムイオンを輸送するために固体電解質を用いる電池が考えられる。

しかし、これまでの研究では、固体電解質を用いると、電池の充電中にアノード上にデンドライトと呼ばれる小さな金属の突起が形成されることが分かっている。これらのデンドライトは低電流でも電池を短絡させ、使用不能にしてしまう。

樹枝状結晶の成長は、電解質と陽極の境界にある電解質の小さな欠陥から始まります。インドの科学者たちは最近、樹枝状結晶の成長を遅らせる方法を発見しました。電解質と陽極の間に薄い金属層を追加することで、樹枝状結晶が陽極に成長するのを阻止できるというのです。

科学者たちは、この薄い金属層を作るための候補金属として、アルミニウムとタングステンを研究対象に選びました。これは、アルミニウムもタングステンもリチウムと混ざり合わず、合金を形成しないためです。科学者たちは、これによりリチウムに欠陥が生じる可能性が低くなると考えました。もし選んだ金属がリチウムと合金を形成した場合、少量のリチウムが時間とともに金属層に侵入する可能性があります。その結果、リチウムに空隙と呼ばれる欠陥が生じ、そこに樹枝状結晶が形成される恐れがあるのです。

金属層の有効性を検証するために、3種類の電池を組み立てた。1つはリチウム負極と固体電解質の間に薄いアルミニウム層を設けたもの、1つは薄いタングステン層を設けたもの、そしてもう1つは金属層を設けないものである。

電池の試験を行う前に、科学者たちは走査型電子顕微鏡と呼ばれる高倍率顕微鏡を用いて、陽極と電解質の境界を詳細に観察した。金属層のないサンプルには小さな隙間や穴が見られ、これらの欠陥は樹枝状結晶が成長する可能性のある場所であると指摘した。一方、アルミニウム層とタングステン層を持つ電池はどちらも滑らかで連続した表面構造を示していた。

最初の実験では、各電池に一定の電流を24時間流し続けた。金属層のない電池は、樹枝状結晶の成長が原因と考えられる短絡を起こし、最初の9時間以内に故障した。アルミニウムとタングステンを含む電池は、この最初の実験では故障しなかった。

樹枝状結晶の成長を抑制する上でどちらの金属層がより優れているかを判断するため、アルミニウム層とタングステン層のサンプルのみを用いて別の実験を行った。この実験では、前回の実験で使用した電流値から開始し、各段階で少しずつ電流密度を増加させながら、電池の充放電サイクルを行った。

電池が短絡した際の電流密度は、デンドライト成長の臨界電流密度であると考えられていた。アルミニウム層を持つ電池は始動電流の3倍で故障し、タングステン層を持つ電池は始動電流の5倍以上で故障した。この実験は、タングステンがアルミニウムよりも優れた性能を示したことを示している。

科学者たちは再び走査型電子顕微鏡を用いて陽極と電解質の境界を調べた。その結果、前回の実験で測定した臨界電流密度の3分の2の時点で金属層に空隙が形成され始めていることがわかった。しかし、臨界電流密度の3分の1の時点では空隙は存在しなかった。このことから、空隙形成はデンドライト成長に先行することが確認された。

科学者たちは次に、タングステンとアルミニウムがエネルギーと温度の変化にどのように反応するかについての既知の知識を用いて、リチウムがこれらの金属とどのように相互作用するかを理解するために計算を実行した。彼らは、アルミニウム層がリチウムと相互作用する際に、実際に空隙が発生する可能性が高いことを実証した。これらの計算結果を用いることで、将来的に試験する別の種類の金属を選択しやすくなるだろう。

この研究により、固体電解質電池は、電解質と陽極の間に薄い金属層を追加することで信頼性が向上することが明らかになった。また、研究者らは、金属の種類（この場合はアルミニウムではなくタングステン）を変えることで、電池の寿命をさらに延ばすことができることも実証した。こうした電池の性能向上は、現在市販されている可燃性の高い液体電解質電池に取って代わる可能性を、一歩前進させることになるだろう。