Defnyddir batris lithiwm-ïon y gellir eu hailwefru i bweru llawer o electroneg yn ein bywydau bob dydd, o liniaduron a ffonau symudol i geir trydan. Mae'r batris lithiwm-ïon ar y farchnad heddiw fel arfer yn dibynnu ar doddiant hylifol, o'r enw electrolyt, yng nghanol y gell.

Pan fydd y batri yn pweru dyfais, mae ïonau lithiwm yn symud o'r pen â gwefr negyddol, neu'r anod, trwy'r electrolyt hylifol, i'r pen â gwefr bositif, neu'r catod. Pan fydd y batri'n cael ei ailwefru, mae'r ïonau'n llifo i'r cyfeiriad arall o'r catod, trwy'r electrolyt, i'r anod.

Mae gan fatris ïon lithiwm sy'n dibynnu ar electrolytau hylif broblem diogelwch fawr: gallant danio pan gânt eu gorwefru neu eu cylched fer. Dewis arall mwy diogel yn lle electrolytau hylif yw adeiladu batri sy'n defnyddio electrolyt solet i gario ïonau lithiwm rhwng yr anod a'r catod.

Fodd bynnag, mae astudiaethau blaenorol wedi canfod bod electrolyt solet yn arwain at dyfiannau metelaidd bach, o'r enw dendritau, a fyddai'n cronni ar yr anod tra bod y batri'n gwefru. Mae'r dendritau hyn yn cylched fer y batris ar geryntau isel, gan eu gwneud yn anhygyrch.

Mae twf dendritau yn dechrau mewn diffygion bach yn yr electrolyt ar y ffin rhwng yr electrolyt a'r anod. Yn ddiweddar, mae gwyddonwyr yn India wedi darganfod ffordd o arafu twf dendritau. Trwy ychwanegu haen fetelaidd denau rhwng yr electrolyt a'r anod, gallant atal dendritau rhag tyfu i mewn i'r anod.

Dewisodd y gwyddonwyr astudio alwminiwm a thwngsten fel metelau posibl i adeiladu'r haen fetelaidd denau hon. Mae hyn oherwydd nad yw alwminiwm na thwngsten yn cymysgu, nac yn aloi, â lithiwm. Credai'r gwyddonwyr y byddai hyn yn lleihau'r tebygolrwydd o ddiffygion yn ffurfio yn y lithiwm. Pe bai'r metel a ddewiswyd yn aloi â lithiwm, gallai symiau bach o lithiwm symud i'r haen fetel dros amser. Byddai hyn yn gadael math o ddiffyg o'r enw gwagle yn y lithiwm lle gallai dendrit ffurfio wedyn.

Er mwyn profi effeithiolrwydd yr haen fetelaidd, casglwyd tri math o fatris at ei gilydd: un gyda haen denau o alwminiwm rhwng anod lithiwm a'r electrolyt solet, un gyda haen denau o dwngsten, ac un heb haen fetelaidd.

Cyn profi'r batris, defnyddiodd y gwyddonwyr ficrosgop pwerus, o'r enw microsgop electron sganio, i edrych yn agos ar y ffin rhwng yr anod a'r electrolyt. Gwelsant fylchau a thyllau bach yn y sampl heb haen fetelaidd, gan nodi bod y diffygion hyn yn debygol o fod yn lleoedd i dendritau dyfu. Roedd y ddau fatri gyda haenau alwminiwm a thwngsten yn edrych yn llyfn ac yn barhaus.

Yn yr arbrawf cyntaf, cylchredwyd cerrynt trydan cyson drwy bob batri am 24 awr. Cafodd y batri heb haen fetelaidd gylched fer a methodd o fewn y 9 awr gyntaf, yn ôl pob tebyg oherwydd twf dendritau. Ni methodd y naill fatri na'r llall gydag alwminiwm na thwngsten yn yr arbrawf cychwynnol hwn.

Er mwyn pennu pa haen fetel oedd yn well am atal twf dendritau, perfformiwyd arbrawf arall ar y samplau haen alwminiwm a thwngsten yn unig. Yn yr arbrawf hwn, cafodd y batris eu cylchredeg trwy ddwyseddau cerrynt cynyddol, gan ddechrau ar y cerrynt a ddefnyddiwyd yn yr arbrawf blaenorol a chynyddu ychydig bach ym mhob cam.

Credwyd mai'r dwysedd cerrynt lle'r oedd y batri'n cylched fer yn cael ei gylchedu oedd y dwysedd cerrynt critigol ar gyfer twf dendritau. Methodd y batri gyda haen alwminiwm ar dair gwaith y cerrynt cychwyn, a methodd y batri gyda haen twngsten ar dros bum gwaith y cerrynt cychwyn. Mae'r arbrawf hwn yn dangos bod twngsten wedi perfformio'n well na alwminiwm.

Unwaith eto, defnyddiodd y gwyddonwyr ficrosgop electron sganio i archwilio'r ffin rhwng yr anod a'r electrolyt. Gwelsant fod bylchau wedi dechrau ffurfio yn yr haen fetel ar ddwy ran o dair o'r dwyseddau cerrynt critigol a fesurwyd yn yr arbrawf blaenorol. Fodd bynnag, nid oedd bylchau yn bresennol ar draean o'r dwysedd cerrynt critigol. Cadarnhaodd hyn fod ffurfio bylchau yn arwain at dwf dendritau.

Yna cynhaliodd y gwyddonwyr gyfrifiadau cyfrifiadurol i ddeall sut mae lithiwm yn rhyngweithio â'r metelau hyn, gan ddefnyddio'r hyn a wyddom am sut mae twngsten ac alwminiwm yn ymateb i newidiadau ynni a thymheredd. Dangoson nhw fod gan haenau alwminiwm debygolrwydd uwch o ddatblygu gwagleoedd wrth ryngweithio â lithiwm. Byddai defnyddio'r cyfrifiadau hyn yn ei gwneud hi'n haws dewis math arall o fetel i'w brofi yn y dyfodol.

Mae'r astudiaeth hon wedi dangos bod batris electrolyt solet yn fwy dibynadwy pan ychwanegir haen fetelaidd denau rhwng yr electrolyt a'r anod. Dangosodd y gwyddonwyr hefyd y gallai dewis un metel dros un arall, twngsten yn yr achos hwn yn lle alwminiwm, wneud i fatris bara hyd yn oed yn hirach. Bydd gwella perfformiad y mathau hyn o fatris yn eu dwyn un cam yn nes at ddisodli'r batris electrolyt hylif hynod fflamadwy sydd ar y farchnad heddiw.