研究改进锂离子电池的途径

现在大多数的锂离子电池，从汽车到手机，从一个液体到两个电极之间的电解质。使用固体电解质可以提供安全和储能能力的主要优势，但试图做到这一点却面临着意想不到的挑战。

研究人员现在报告说，这个问题可能是对这种电池失效的错误解释。新的研究结果，这可能与固体电解质锂电池的发展开辟新的途径，在先进能源材料杂志报道，在一篇由明迟昂、陶瓷在麻省理工学院的京瓷教授；W. Craig Carter，浦项教授在麻省理工学院材料科学与工程；八人。

电池中的电解质是正极和负极之间的材料，是电池夹层中的一种填料。每当电池充电或耗尽时，离子（带电原子或分子）穿过电解质从一个电极到另一个电极。

但是这些液体电解质可能是易燃的，并且它们是由这种电池引起的火灾的原因。他们还容易产生枝晶薄形成指状突起的金属，建立从一个电极，如果他们一直延伸到另一个电极，可以创建一个短路会损坏电池。

研究人员试图通过使用固体材料制成的电解质来解决这些问题，如一些陶瓷材料。这可以消除易燃性问题和提供其他大的好处，但试验表明，这种材料往往表现有些不正常，比预期的更容易短路。

根据这项研究，问题在于研究人员一直在寻找固体电解质材料中的错误属性。当时的想法是，材料的硬度或squishiness（即所谓的剪切模量）确定树突能渗透到电解质。但是新的分析表明表面的光滑性是最重要的。在电解质的表面微观划痕和刮伤可以开始强行在金属矿床提供了一个立足点，研究人员发现。

Chiang说，这就表明，简单地专注于实现更平滑的表面可以消除或大大减少固体电解质电池中枝晶形成的问题。除了避免与液体电解质有关的可燃性问题外，这种方法还可以使用固体锂金属电极。这样做可能会使锂离子电池的能量容量增加一倍——也就是说，它能够储存一定重量的能量，这对车辆和便携式设备至关重要。

Chiang解释说：“树突的形成导致了最终的短路故障，这是锂金属充电电池无法实现的主要原因。”。（锂金属电极中常用的nonrechargeable电池，但那是因为只有在充电过程中枝晶形态。）

Chiang说，锂充电电池的枝晶形成问题在20世纪70年代初首先得到承认，45年后这个问题仍未解决。但目标仍然是诱人的，因为潜在的“利用金属锂电极的电池的容量增加一倍。

在过去的几年中，一些团体一直在努力开发固体电解质作为一种方法，使锂金属电极的使用。Chiang说，主要有两种类型：锂磷硫化物和金属氧化物。在所有这些研究工作中，一个普遍的想法是材料需要坚硬，而不是弹性。但是这些材料在实验室测试中往往表现出不一致和令人困惑的结果。

Chiang说，这个想法是有道理的，一种更坚硬的材料应该更能抵抗试图挤压它表面的东西。但新的工作，该团队测试了潜在的固体电解质材料的四个不同品种的样品和观察他们如何进行在充电和放电周期的细节，表明树突的方式实际上形成硬的固体材料是比那些在液体电解质完全不同的过程。

在固体表面，从一个电极中的锂开始通过电化学反应沉积在电解液表面上的任何微小缺陷上，包括微小的凹坑、裂纹和划痕。一旦初始沉积形成这样的缺陷，它就继续形成——而且令人惊讶的是，积聚从枝晶的尖端延伸出来，而不是从它的底部延伸出来，因为它迫使它进入固体，就像一个楔形物一样前进，并打开一个更宽的裂缝。

Chiang说，这些材料“对表面缺陷的数量和大小非常敏感，而不是对材料的大块性质”。这是导致失败的裂纹扩展。它告诉我们，我们应该更多关注的是表面的质量，在光滑和无缺陷的情况下，我们可以制作这些固体电解质膜。

“我相信这种高品质的新工作将重新思考如何工程师实用锂金属固态电池，”Alan Luntz说，一个咨询教授金属空气电池的研究在斯坦福大学，谁没有参与这项研究。作者们指出，不同的机制控制锂固态电池中的锂金属短路，而不是液态或聚合物锂金属电池中树突形成。这意味着，如果锂金属固态电池有实际的电流密度，那么仔细地减少锂金属和电解质界面上所有的结构缺陷是必要的，”他说。

Luntz说，“我认为这是对发展实用和安全的全固态电池的目标的一个极其重要的贡献。”

该研究小组成员包括Lukas Porz，Tushar Swamy，Daniel Rettenwander，和Harry Thomas在麻省理工学院；柏林工业大学的Stefan Berendts；在莱布尼茨在柏林晶体生长研究所的Reinhard Uecker；布朗大学的Brian Sheldon；Till Fromling在达姆施塔特技术大学，德国。