工程师们解开了通往更小、更轻电池之路的谜团

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研究人员解决了固态锂电池面临的一个问题，即跨越金属电极之间间隙的称为树突的金属丝可能会导致固态锂电池短路。他们发现，在固体电解质材料（灰色圆盘）上施加压缩力会导致树突（左侧的黑线）停止从一个电极向另一个电极（每一侧的圆形金属片）移动，而是无害地向侧面转向，朝向力的方向。
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由研究人员提供

 

麻省理工学院研究人员的一项发现最终可能打开设计新型可充电锂电池的大门，这种电池比现有版本更轻、更紧凑、更安全，多年来世界各地的实验室一直在追求这种电池。

 

电池技术这一潜在飞跃的关键是用更薄、更轻的固体陶瓷材料层取代位于正极和负极之间的液体电解质，并用固体锂金属取代其中一个电极。这将大大减少电池的整体尺寸和重量，并消除与易燃液体电解质相关的安全风险。但这一探索遇到了一个大问题：树突。

 

枝晶的名字来自拉丁语，意为树枝，是金属的突出物，可以在锂表面堆积并渗透到固体电解质中，最终从一个电极穿过到另一个电极并使电池短路。研究人员尚未就这些金属丝的产生原因达成一致，在如何防止它们并使轻型固态电池成为实用选择方面也没有取得太大进展。

 

这项新研究今天发表在《焦耳》杂志上，由麻省理工学院教授 Yet-Ming Jiang、研究生 Cole Fincher 以及麻省理工学院和布朗大学的其他五人发表论文，似乎解决了树突形成的原因问题。它还展示了如何防止枝晶穿过电解质。

 

蒋说，在该小组的早期工作中，他们有了一个“令人惊讶和意想不到”的发现，即用于固态电池的硬质固体电解质材料可以被锂（一种非常软的金属）渗透。当锂离子在两侧之间移动时，对电池进行充电和放电。

 

离子的这种来回穿梭导致电极的体积发生变化。这不可避免地会在固体电解质中产生应力，固体电解质必须与夹在中间的两个电极保持完全接触。“为了沉积这种金属，必须扩大体积，因为你会增加新的质量，”蒋说。“因此，电池沉积锂的一侧的体积增加了。即使存在微小的缺陷，也会对这些缺陷产生压力，从而导致开裂。”

 

研究小组现已证明，这些压力会导致裂纹，从而形成枝晶。事实证明，解决这个问题的方法是施加更多的压力，并以正确的方向和适当的力量施加。

 

此前，一些研究人员认为枝晶是由纯粹的电化学过程而不是机械过程形成的，但该团队的实验表明，导致问题的是机械应力。

 

枝晶形成的过程通常发生在电池不透明材料深处，无法直接观察到，因此芬奇开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法，可以直接看到和记录整个过程。“你可以看到当你对系统施加压力时会发生什么，你可以看到枝晶的行为是否与腐蚀过程或断裂过程相称，”他说。

 

研究小组证明，他们可以通过施加和释放压力来直接操纵树突的生长，使树突与力的方向完美对齐。

 

对固体电解质施加机械应力并不能消除枝晶的形成，但它确实控制了枝晶的生长方向。这意味着它们可以被引导为与两个电极保持平行，并防止它们穿过另一侧，从而变得无害。

 

在他们的测试中，研究人员使用了通过弯曲材料而产生的压力，该材料被形成一根一端有重物的梁。但他们表示，在实践中，可能有许多不同的方式来产生所需的压力。例如，电解质可以由具有不同热膨胀量的两层材料制成，因此材料存在固有的弯曲，如某些恒温器中所做的那样。

 

另一种方法是用嵌入其中的原子“掺杂”材料，使其变形并使其处于永久受压状态。蒋解释说，这与生产智能手机和平板电脑屏幕中使用的超硬玻璃的方法相同。而且所需的压力并不是极端的：实验表明，150 至 200 兆帕的压力足以阻止枝晶穿过电解质。

 

芬奇补充道，所需的压力“与商业薄膜生长工艺和许多其他制造工艺中通常产生的应力相当”，因此在实践中实施起来应该不难。

 

事实上，一种不同类型的应力，称为堆栈压力，通常通过在垂直于电池极板的方向上挤压材料而施加到电池单元上，有点像通过在三明治顶部放置重物来压缩三明治。人们认为这可能有助于防止层分离。但现在的实验表明，该方向的压力实际上会加剧枝晶的形成。“我们证明，这种类型的烟囱压力实际上会加速枝晶引起的失效，”芬奇说。

 

相反，需要的是沿板平面施加压力，就好像三明治被从侧面挤压一样。芬奇说：“我们在这项工作中所展示的是，当你施加压缩力时，你可以迫使树突沿压缩方向行进，如果该方向沿着板的平面，树突“将永远无法到达彼岸。”

 

这最终使得使用固体电解质和金属锂电极生产电池变得可行。这些不仅可以在给定的体积和重量中容纳更多的能量，而且可以消除对液体电解质（易燃材料）的需求。

 

蒋说，在演示了所涉及的基本原理后，该团队的下一步将尝试将这些原理应用于功能性原型电池的创建，然后弄清楚批量生产此类电池所需的制造工艺。他说，尽管他们已经申请了专利，但研究人员并不打算自己将该系统商业化，因为已经有公司致力于固态电池的开发。“我想说，这是对固态电池故障模式的理解，我们认为业界需要意识到这一点，并尝试将其用于设计更好的产品，”他说。

 

研究团队包括布朗大学的 Christos Athanasiou 和 Brian Sheldon，以及麻省理工学院的 Colin Gilgenbach、Michael Wang 和 W. Craig Carter。这项工作得到了美国国家科学基金会、美国国防部、美国国防高级研究计划局和美国能源部的支持。