麻省理工学院:如何防止枝晶穿透电解质

电动悟空摘录 据外媒报道，麻省理工学院（MIT）研究人员得到了新的发现，或者将为设计新的可充电固态锂电池打开大门。这种电池比现有产品更轻、更紧凑、更安全。

(图片来源:麻省理工学院)

与易燃电解质锂离子电池相比，固体电池采用更薄、更轻的固体陶瓷电解质和固体锂金属电极，大大降低了电池的整体尺寸和重量，更安全。然而，堆积在锂表面的枝形晶体可能会穿透固体电解质，从一个电极交叉到另一个电极，使电池短路。

本研究由麻省理工学院和布朗大学的研究人员共同进行，预计将澄清锂枝晶形成的原因，并展示如何防止枝晶穿透电解质。

在早期工作中，该团队发现锂离子在电池的两极之间移动。由于固体电解质必须与两个电极完全接触，离子穿梭会导致电极体积的变化，从而对固体电解质造成压力。MIT教授Yet-Ming Chiang说：在电池中，锂沉积侧的体积会增加。若有小缺陷，则会对有缺陷的地方产生压力，从而导致开裂。”

该团队已经证明，这些压力会导致裂缝，从而形成分支。解决这个问题的方法是进一步施加压力，即在正确的方向上施加适当的力。

过去，一些研究人员认为枝晶是由纯电化学过程而不是机械过程形成的。然而，团队的实验表明，机械压力导致了这个问题。枝晶的形成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，MIT的研究生Cole Fincher开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法，可以直接看到和记录整个过程。他说：当对系统施加压力时，你可以看到发生了什么。可以观察枝晶的行为是否与腐蚀过程或断裂过程相对应。”

该团队证明，只有施加和释放压力才能直接控制分支晶体的生长，使分支晶体与力的方向完全一致。对固体电解质施加机械压力不能避免分支晶体的形成，但确实可以控制分支晶体的生长方向。由于它可以平行于两个电极，并且不会交叉到另一边，以避免损坏电池。

在测试过程中，研究人员使用弯曲材料产生的压力。事实上，所需的压力可以通过许多不同的方式产生。例如，两层具有不同热膨胀的材料可以用来产生电解质，使材料像某些恒温器一样产生内部弯曲。

另一种方法是混合嵌入材料中的原子，使其变形并处于永久应力状态。这与生产智能手机和平板电脑屏幕的超硬玻璃相同。实验表明，150-200兆帕的压力足以防止枝晶穿过电解质。

事实上，电池电池电池叠压力的不同压力通常用于电池电池。本质上，它是通过在垂直于电池的方向上挤压材料(有点像在三明治上加一个重物来产生压力)，据说可能有助于防止分层。现在实验证明，这个方向的压力实际上会加剧枝晶的形成。相反，沿平面施加压力，就像三明治从两侧挤压一样，枝晶永远不会到达另一侧。

下一步，该团队将尝试将这些原理应用于创建功能电池原型，并找出大规模生产此类电池所需的制造过程。虽然专利已经申请，但研究人员并不打算商业化系统。Fincher这只是对固态电池退化模式的一种理解。在设计更好的产品时，我们认为行业需要了解这一点并使用它。