近日，一項(xiàng)美國(guó)麻省理工的研究為固態(tài)鋰電池的進(jìn)一步突破性發(fā)展提供了線索。

在11月18日的《焦耳》雜志中，由美國(guó)麻省理工大學(xué)華裔科學(xué)家，蔣業(yè)明教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)成功解釋了可充電鋰電池內(nèi)鋰枝晶的形成原因，以及如何防止其穿過(guò)電解液的方法，解決了固態(tài)鋰電池發(fā)展中的難題，為設(shè)計(jì)出更輕、更緊湊、更安全的電池的邁出了重要一步。

(資料圖)

《焦耳》是Nature子刊級(jí)別雜志，能源領(lǐng)域的頂級(jí)刊物。

研究指出，目前來(lái)看，可充電鋰金屬電池的商業(yè)用途還很有限，其中一個(gè)重要的原因就是鋰枝晶（樹突）。鋰枝晶是一種細(xì)長(zhǎng)的觸須狀金屬細(xì)絲，在電池多次充放電循環(huán)后于鋰陽(yáng)極上形成的微小的樹狀缺陷，如果樹突與陰極接觸，就會(huì)導(dǎo)致電池短路。

科學(xué)家們一直以來(lái)都致力于用鋰金屬陽(yáng)極取代現(xiàn)有電池中使用的石墨陽(yáng)極，鋰金屬陽(yáng)極的理論容量是傳統(tǒng)石墨陽(yáng)極的10倍，但是，因?yàn)闃渫坏拇嬖谝矔?huì)大大縮短電池的使用壽命。 因此，媒體稱，麻省理工大學(xué)此次在鋰枝晶研究上的突破，是固態(tài)鋰電池發(fā)展之路上的重要里程碑。

鋰枝晶是因機(jī)械應(yīng)力形成

在之前的研究中，一些研究人員認(rèn)為，鋰枝晶是在純電化學(xué)過(guò)程而非是機(jī)械過(guò)程形成的，但麻省理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致問題的是機(jī)械應(yīng)力。

電池枝晶的形成過(guò)程通常發(fā)生在不透明材料的深處，無(wú)法直接觀察到，因此研究人員開發(fā)了一種使用透明電解液制造薄電池的方法，可直接看到和記錄整個(gè)過(guò)程。

蔣業(yè)明教授說(shuō)，在小組早期的研究中，他們有了一個(gè)“意想不到的”的發(fā)現(xiàn)：在電池充放電的過(guò)程中，用于固態(tài)電池的電解質(zhì)材料可以被鋰穿透，同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)鋰離子會(huì)在電池兩側(cè)來(lái)回移動(dòng)，這種來(lái)回穿梭導(dǎo)致了電極的體積發(fā)生了變化。

蔣教授稱，這種體積上的變化使固體電解質(zhì)中產(chǎn)生了機(jī)械應(yīng)力，他說(shuō)：

因?yàn)楣腆w電解質(zhì)必須與兩個(gè)電極保持完全接觸，因此產(chǎn)生了機(jī)械應(yīng)力。

因此鋰的沉積，使電池一側(cè)的體積增加了。如果存在微小的缺陷，在電池使用的過(guò)程中，就會(huì)對(duì)這些導(dǎo)致開裂的微小缺陷造成壓力，產(chǎn)生鋰枝晶。

運(yùn)用機(jī)械應(yīng)力就可以控制鋰枝晶方向

因此，在發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力是產(chǎn)生鋰枝晶的原因后，蔣教授團(tuán)隊(duì)就開始著手研究，怎么利用機(jī)械應(yīng)力控制鋰枝晶。

從此前的研究報(bào)告來(lái)看，幾十年來(lái)，研究人員一直認(rèn)為堅(jiān)硬的固體電解質(zhì)，如陶瓷制成的電解質(zhì)最能防止樹突穿透電池，也有很多人認(rèn)為，需要從一開始就阻止樹突的“形成”或“成核”，否則就會(huì)像在汽車擋風(fēng)玻璃上擴(kuò)散的小裂縫一樣。

而蔣業(yè)明發(fā)現(xiàn)，只需施加和釋放壓力，就可直接控制鋰枝晶的生長(zhǎng)，使鋰枝晶與力的方向完全一致，并不需要消除鋰枝晶：對(duì)機(jī)械應(yīng)力的運(yùn)用可以引導(dǎo)它們與兩個(gè)電極保持平行，并防止它們穿過(guò)另一側(cè)，從而不會(huì)引起短路等現(xiàn)象。蔣教授說(shuō)：

我們通過(guò)使用機(jī)械壓力來(lái)彎曲材料，以此來(lái)證明我們是可以控制鋰枝晶的生長(zhǎng)方向的。

同時(shí)，MIT團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)出在商用電池中實(shí)現(xiàn)的幾種方法。該裝置可以結(jié)合具有不同熱膨脹性能的材料來(lái)運(yùn)用機(jī)械應(yīng)力，或是在材料中“摻雜”嵌入原子，使其變形并處于永久的應(yīng)力狀態(tài)。

而且更重要的是，實(shí)驗(yàn)表明，大約在150到200兆帕斯卡的壓力足以阻止鋰枝晶穿過(guò)電解液，目前該方案是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

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關(guān)鍵詞： 機(jī)械應(yīng)力 固體電解質(zhì) 研究人員