利用压力的实用固态电池

MIT

固态锂离子电池有望比传统电池更安全、更轻、更紧凑。然而，金属尖刺会在其内部生长，导致短路故障。现在一项新的研究发现，对这些电池施加压力可能是防止此类故障的简单方法。

传统电池通过两个电极（阳极和阴极）之间的化学反应供电，这两个电极通常通过液体或凝胶电解质相互作用。固态电池改用陶瓷等固体电解质。

对于相同的重量或空间，固态电池可以提供比传统电池更多的能量。固态锂离子电池也比使用易燃有机液体电解质的传统电池安全得多。

然而，固态锂离子电池面临的一个主要问题是树枝状金属丝，称为枝晶，它可以在固态锂金属阳极的表面堆积。它们可以穿透固体电解质并与另一个电极接触，从而触发短路。近50年来，科学家们一直在争论这些树突是如何生长的。尽管它已经恶化，但这个谜阻碍了固态锂离子电池成为现实的努力。

“电池看起来很简单，但实际上却很复杂，”该研究的资深作者、麻省理工学院的材料科学家和电化学工程师Yet-Ming Chiang说，“要使它们在实际水平上发挥作用，需要进行大量的研究和开发。”

现在，研究人员可能终于回答了是什么促使这些树突生长的问题。他们的新研究还揭示了一种防止电池短路的简单方法。

科学家们提出了这些树突生长的两种方式。一种可能是电解质中枝晶生长的化学机制。另一种是在电解液中形成的机械裂纹，使枝晶蠕变。

此前，Chiang和他的同事意外地发现，锂是一种非常软的金属，但仍能穿透固态锂离子电池中使用的硬质电解质。他们发现，当电池充电和放电时，离子的移动会导致电极膨胀和收缩。这在夹在电极之间的固体电解质中产生应力。

先前的研究结果表明，这些应力可能会对电解质中的任何微观缺陷施加压力。这可能导致断裂，导致枝晶生长，电解液发生机械故障。这也表明，对电池施加压力可能会刺激或抑制枝晶生长。

通常，科学家无法直接观察这些电池中的枝晶生长，因为它发生在电池单元的不透明组件中。在这项新的研究中，研究人员开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法。这让Chiang和他的同事们看到了树突是如何生长的，并分析了压力对它们的影响。

科学家们发现，施加压力可以使枝晶沿着力的方向偏转。这表明，机械故障是这些电池中枝晶生长的主要驱动因素，化学降解的作用可忽略不计。

“这个话题属于一个相对新的研究领域，叫做‘电化学力学’，这意味着它是电化学和机械应力之间的相互作用，”Chiang说，“对我们来说，The ‘aha’ 时刻是认识到，如果电化学产生机械应力，那么反过来肯定是正确的，我们应该能够利用机械应力来控制电化学行为。”

尽管这些新的结果没有指出消除枝晶形成的方法，但它们确实提出了控制枝晶生长方向的方法。这可能导致控制枝晶轨迹的策略，防止它们穿过电解质，并使其无害。

“我们解决了电池研究人员多年来一直争论的一个科学难题，”该研究的主要作者、麻省理工学院材料科学家和电化学工程师Cole Fincher说，“了解固体电解质失效的原因和原因，使我们找到了设计性能更高、更可靠的更好固态电池的新方法。”

在这项新的研究中，研究人员弯曲电解质以对其施加压力。然而，他们表示，可能有许多不同的方法来产生转移枝晶所需的应力。

例如，电解质可能具有两层材料，当加热或冷却时，它们会膨胀和收缩不同的量，就像某些恒温器中的情况一样。这将导致电解液的固有弯曲。

另一种策略是在电解液中加入会导致永久机械变形的成分。研究人员表示，这种“掺杂”方法用于生产智能手机和平板电脑屏幕上使用的超硬玻璃。

研究人员注意到，一种称为电池堆压力的应力经常施加在电池上。这在电池板上施加力的方式有点像通过在其上放置重物来压缩三明治。然而，他们发现堆叠压力加速了基于枝晶的电池失效。为了防止枝晶引起的断裂，需要沿着板的平面施加压力，就像三明治从其侧面被挤压一样。

科学家们注意到，150至200兆帕的压力足以阻止枝晶穿过电解质。尽管这看起来很像，但海洋最深处马里亚纳海沟底部的压力只有110兆帕——“这种压力出现在我们日常生活中遇到的许多材料和结构中，”Fincher说，“它存在于你的钢化玻璃车窗、手机屏幕、Corelle板以及汽车和航空航天应用的复合材料等工程结构中。”

科学家们现在计划根据他们的新发现创建功能性原型电池，并找出大规模生产此类电池可能需要的制造工艺。Chiang说，未来的研究还可以调查这种效应是否在所有固体电解质中都能看到。

研究人员于11月18日在Joule杂志上详细介绍了他们的发现。