对全固态锂电池

大多数电池由称为电极，用充满液体或凝胶电解质聚合物膜隔开的两个固体、 电化学活性层组成。但最近的研究探讨了全固态电池，将用固体电解质，可以提高电池的能量密度和安全代替液体 （和潜在易燃） 电解质的可能性。

现在，第一次，麻省理工学院的一个小组探讨了基于硫化物固体电解质材料，以确定其力学性能时纳入电池的力学性能。

新的研究结果被发表在杂志先进能源材料，本文由弗兰克 McGrogan 和图沙斯瓦米，两个麻省理工学院的研究生; 本周Krystyn Van Vliet，迈克尔 （1949 年） 和索尼娅柯纳教授的材料科学与工程;蒋业明，教授的材料科学与工程;和其他四人包括本科 (REU) 程序由麻省理工学院的中心国家科学基础研究的经验的本科生参与材料科学与工程和其材料加工中心。

锂离子电池提供了一个轻量级的能量存储解决方案，使得许多今天的高科技设备，从智能手机到电动汽车。但是代以常规的液体电解质，这种电池固体电解质会有显著的优势。这种全固态锂离子电池可以提供更大的能量存储能力，庞德，电池包级别。他们也几乎可以消除蛾子的金属突起，被称作树突，可以在电解质层中成长，并导致短路的风险。

“电池组件的全固态是有吸引力的选择，性能和安全，但仍面临若干挑战，”范弗利特说。在今天市场占主导地位的锂离子电池，锂离子穿过液体电解质电池正在充电，而从一个电极到另和得到利用，它通过然后向相反的方向流动。这些电池是非常有效的但是”液体电解质往往是化学性质不稳定，甚至可以易燃，”她说。”所以如果电解质是固体，它可能是更安全，以及更小和更轻”。

但最大的问题，关于使用这种全固态电池是什么类型的机械应力可能发生内电解质材料作为电极的充电和放电反复。此循环的原因电极膨胀和收缩作为锂离子进出其晶体结构。在僵硬的电解质，这些尺寸的变化可以导致高应力。如果电解液也是脆的不断改变的尺寸可以导致裂缝迅速降低电池的性能，并且甚至可以提供渠道给破坏性树突到窗体中，像他们一样在液体电解质电池。但如果材料是抗断裂，这些应力可以容纳无快速开裂。

到目前为止，虽然，硫化物的极端敏感性，对正常的实验室空气的挑战到测量包括其断裂韧性的力学性能。为了绕过这个问题，研究团队的成员进行机械测试中的矿物油，洗个澡从任何化学相互作用与空气或湿气保护样品。利用这项技术，他们都能够获得详细的测量锂进行的硫化物，被认为是有前途的候选人全固态电池中的电解质的力学性能。

“有很多不同的候选人，为固体电解质在那里，”McGrogan 说。其他小组已经研究过力学性能的锂离子导电氧化物，但有小的工作，到目前为止对硫化物，即使那些特别看好因为它们有能力进行锂离子容易和快速。

以前的研究者使用声学测量技术，通过声波通过材料，探讨其力学行为，但这种方法没有量化抗折力。但新的研究，尖头的探针用于探听材料和监测其响应，给出了较完整的重要属性，包括硬度、 断裂韧性和杨氏模量 （可逆地伸展在外加应力作用下的材料能力的措施）。

“研究组有分寸的弹性性能的硫化物基固体电解质中，但不是断裂性能，”范弗利特说。后者是预测是否材料可能裂缝或破碎时电池应用程序中使用的关键。

研究人员发现，这种材料具有属性有点类似于傻腻子或咸水太妃糖的组合︰ 当应力作用，它可以变形很容易，但在足够高的压力，它可以破解像一块易碎的玻璃。

通过了解这些属性的细节，”你可以计算材料之前它骨折，可以容忍多少应力”和设计电池信息系统的在心里，凡弗利特说。

这些材料其实要更脆，比将是理想的电池使用，但只要其属性已知的因此设计系统，可能仍有潜在的这种用途的 McGrogan 说。”你必须设计围绕那知识”。

“先进的锂离子电池的循环寿命主要有限的液体电解质和它如何与电极，交互的化学或电化学稳定性所”说杰夫坂本，密歇根大学机械工程教授并没有参与这项工作。”然而，在固态电池机械降解将可能规范稳定或耐久性。因此，了解固态电解质的力学性能是非常重要的”他说。

坂本添加”锂金属阳极的能力相比，先进的石墨阳极展览显著增加。这可能转化为关于能量密度与 [常规] 锂离子技术相比增加了 100%”。

研究团队还包括麻省理工学院研究人员肖恩主教、 埃丽卡尔顿、 卢克斯波尔茨，信威陈。Chemomechanics 的 Far-From-Equilibrium 接口被支持由美国能源部基础能源科学办公室工作。