麻省理工学院的新发现可以让枝晶无害化带来更安全更轻的锂电池

　　固态锂电池受到枝晶生长的影响。最近的一项研究深入研究了这些金属丝的形成，并提供了一个防止它们形成的解决方案，以保持电池的容量和功率。麻省理工学院的研究人员取得了一项突破，可能为开发一种革命性的可充电锂电池铺平道路。这种新的设计预计将比现有的模型更轻，更紧凑，更安全。
　　这一潜在的电池技术飞跃的关键是用更薄、更轻的固体陶瓷材料层取代位于正负电极之间的液体电解质，并用固体金属锂取代其中一个电极。这将大大减少电池的整体尺寸和重量，并消除与液体电解质相关的安全风险，因为液体电解质是易燃的。但是这一探索一直被一个大问题所困扰：枝晶。
　　枝晶的名称来自拉丁文的树枝，它是金属的突起，可以在锂的表面堆积，并渗透到固体电解质中，最终从一个电极穿越到另一个电极，使电池单元短路。研究人员一直未能就产生这些金属丝的原因达成一致，在如何防止这些金属丝，从而使轻质固态电池成为一种实用的选择方面也没有什么进展。
　　最近，麻省理工学院教授YetMingChiang、研究生ColeFincher以及麻省理工学院和布朗大学的其他五人在《焦耳》杂志上发表了一篇新的研究，似乎解决了什么导致枝晶形成的问题。它还显示了如何防止树枝状突起穿过电解质。
　　Chiang说，在该小组的早期工作中，他们有一个令人惊讶和意外的发现，即固态电池所使用的坚硬的固体电解质材料在电池充电和放电的过程中，由于锂离子在双方之间移动，可以被锂穿透，而锂是一种非常柔软的金属。离子的这种来回穿梭导致电极的体积变化。这不可避免地导致固体电解质的应力，它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，因为你在增加新的质量，因此，在锂被沉积的电池一侧体积会增加。如果有哪怕是微小的缺陷存在，这将对这些缺陷产生压力，从而导致开裂。
　　该团队现在已经表明，这些压力会导致裂缝，使枝晶形成。这个问题一贯以来的解决方案是以正确的方向和适量的力施加更多的压力。
　　虽然以前一些研究人员认为枝晶是由一个纯粹的电化学过程形成的，而不是一个机械过程，但该团队的实验证明，是机械应力导致了这个问题。
　　枝晶的形成过程通常发生在电池单元不透明材料的深处，无法直接观察到，因此芬奇开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法，使整个过程可以直接看到和记录。这样一来在解决问题的过程中可以看到对系统施加压力时发生了什么，可以看到枝晶的行为是否与腐蚀过程或断裂过程相称。
　　研究小组证明，他们可以直接操纵枝晶的生长，只需施加和释放压力，使枝晶与力的方向完全一致。
　　对固体电解质施加机械压力并不能消除枝晶的形成，但它确实控制了它们的生长方向。这意味着它们可以被引导到与两个电极保持平行，并防止它们跨越到另一侧，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，这些材料被制成了一端有重量的梁。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，电解质可以用两层具有不同热膨胀量的材料制成，这样就有了材料固有的弯曲，就像在一些恒温器中做的那样。
　　另一种方法是在材料中掺入原子，这些原子会嵌入材料中，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。而且所需的压力量并不极端：实验表明，150至200兆帕的压力足以阻止枝晶质穿过电解质。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称，因此在实践中应该不难实现。
　　事实上，一种不同的压力，称为堆积压力经常被应用于电池单元，通过在垂直于电池板的方向上挤压材料有点像通过在上面放一个重物来压缩一个三明治。人们认为这可能有助于防止电池层的分离。但现在的实验表明，该方向的压力实际上加剧了枝晶的形成，实际上加速了枝晶引起的电池劣化。
　　相反，需要的是沿板材平面的压力，就像夹层从侧面被挤压一样。当施加一个压缩力时，可以迫使枝晶沿着压缩的方向移动，如果这个方向是沿着板的平面，枝晶将永远不会到达另一边。
　　这可能最终使使用固体电解质和金属锂电极生产电池成为现实。这些电池不仅可以在给定的体积和重量中储存更多的能量，而且还可以消除对液体电解质的需求，因为液体电解质是易燃材料。
　　在证明了相关的基本原理之后，该团队的下一步将是尝试将这些原理应用于创建一个功能性的原型电池，然后弄清楚需要什么样的制造工艺才能大量生产这种电池。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，他说，因为已经有公司在开发固态电池。