现实中蓄电池通往更小、更轻电池之路上的一个谜

现实中蓄电池通往更小、更轻电池之路上的一个谜

一项新发现最终可能会迎来固态锂电池的发展，这种电池将比目前的锂电池更轻、更紧凑、更安全。固体电解质中称为枝晶的金属细丝的生长一直是一个长期存在的障碍，但新研究解释了枝晶如何形成以及如何转移它们。
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麻省理工学院研究人员的一项发现最终可以打开设计新型可充电锂电池的大门，这种电池比当前版本更轻、更紧凑、更安全，世界各地的实验室多年来一直在研究这种电池。

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。这将大大减小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。但这一探索一直被一个大问题所困扰：树突。

树突的名字来源于拉丁语中的分支，是金属的突起，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另一个电极并使电池短路。研究人员未能就这些金属丝的产生原因达成一致，在如何预防它们从而使轻型固态电池成为一种实用选择方面也没有取得太大进展。

麻省理工学院蒋业明教授、研究生科尔芬奇以及麻省理工学院和布朗大学的其他五人发表的一篇论文今天发表在《焦耳》杂志上，这项新研究似乎解决了枝晶形成原因的问题。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，他们做出了一个“令人惊讶和意外”的发现，即用于固态电池的硬质固体电解质材料可以在这个过程中被锂这种非常软的金属穿透电池充电和放电，因为锂离子在两侧之间移动。

离子的这种来回穿梭导致电极体积发生变化。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，体积必须扩大，因为你要增加新的质量，”蒋说。“因此，沉积锂的电池一侧的体积会增加。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。”

该团队现在已经表明，这些压力会导致允许形成树突的裂缝。事实证明，解决问题的方法是加大压力，以正确的方向和适当的力量施加压力。

此前，一些研究人员认为枝晶是由纯电化学过程而非机械过程形成的，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的深处，无法直接观察到，因此芬奇开发了一种使用透明电解质制作薄电池的方法，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，你可以看到树突的行为是否与腐蚀过程或断裂过程相称，”他说。

该团队证明，他们可以通过简单地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，但它确实可以控制它们的生长方向。这意味着可以引导它们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，研究人员使用弯曲材料引起的压力，该材料形成一端有重物的梁。但他们说，在实践中，可能有许多不同的方式来产生所需的压力。例如，电解质可以由两层具有不同热膨胀量的材料制成，因此材料会固有弯曲，就像在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。Chiang 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极端：实验表明，150 至 200 兆帕的压力足以阻止枝晶穿过电解质。

Fincher 补充说，所需的压力“与商业薄膜生长过程和许多其他制造过程中通常引起的压力相当”，因此在实践中应该不难实施。

事实上，一种称为堆叠压力的不同类型的压力通常会施加到电池单元上，基本上是在垂直于电池极板的方向上挤压材料——有点像通过在三明治上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，那个方向的压力实际上会加剧枝晶的形成。Fincher 说：“我们表明，这种类型的堆压实际上会加速枝晶引起的故障。”

相反，需要的是沿板平面施加压力，就好像三明治从侧面被挤压一样。“我们在这项工作中展示的是，当你施加压缩力时，你可以迫使树突沿压缩方向移动，”Fincher 说，如果该方向沿着板的平面，树突“将永远到不了另一边。”

这最终可能使使用固体电解质和金属锂电极生产电池成为现实。这些不仅可以将更多的能量装入给定的体积和重量中，而且可以消除对易燃材料液体电解质的需求。

Chiang 说，在展示了所涉及的基本原理之后，该团队的下一步将是尝试将这些原理应用到功能性原型电池的创建中，然后弄清楚大量生产这种电池需要哪些制造工艺。他说，虽然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，我们认为业界需要了解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。