使用压力的实用固态电池

固态锂离子电池比传统电池更安全、更轻、更紧凑。然而，金属尖刺会在其中生长，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)之间的化学反应来供电，这两个电极通常通过液体或凝胶电解质相互作用。固态电池相反，使用固体电解质，如陶瓷。

在同样的重量和空间下，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传统的锂离子电池安全得多有机液体电解质这些都是易燃的。

“了解固体电解质失效的原因和方式，为我们指明了设计性能更高、更可靠的更好固态电池的新方法。”
-科尔·芬奇，麻省理工学院

然而，固态锂离子电池面临的一个主要问题是树枝状的金属丝树突，它可以在固体锂金属阳极的表面积聚。它们可以穿透固体电解质并与另一个电极接触，从而引发短路。

近50年来，科学家一直在争论这些树突是如何生长的。虽然这一谜团已经恶化，但它阻碍了将固态锂离子电池变为现实的努力。

“电池看起来是非常简单的设备，但实际上它们非常复杂，”该研究的资深作者说yet - ming Chiang他是麻省理工学院的材料科学家和电化学工程师。“需要大量的研究和开发，才能使它们在实际层面上发挥作用。”

现在，研究人员可能终于回答了是什么让这些树突生长的问题。他们的新研究还揭示了一种可能避免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。一种可能是化学机制——树突在电解液中生长。另一种是力学性质的——电解液中形成的裂缝让树突蠕进。

此前，蒋和他的同事意外地发现，锂是一种非常柔软的金属，但却可以穿透固态锂离子电池中使用的硬电解质。他们发现，当电池充放电时，离子的运动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了应力。

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，电解质发生机械失效。这也表明，对电池施加压力可能会刺激或抑制树突的生长。

“对我们来说，‘啊哈’时刻是认识到，如果电化学产生机械应力，那么反过来也一定是正确的——我们应该能够使用机械应力来控制电化学行为。”
-Yet-Ming Chiang，麻省理工学院

通常情况下，科学家无法直接观察到树突的生长在这些电池中，因为它发生在电池的不透明组件中。在这项新研究中，研究人员开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法。这让蒋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，施加压力可以使树突沿力的方向偏转。这表明机械故障是这些电池中枝晶生长的主要驱动因素，化学降解的作用可以忽略不计。

蒋说:“这个话题属于一个相对较新的研究领域，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。”“对我们来说，‘啊哈’时刻是认识到，如果电化学产生机械应力，那么反过来也一定是正确的——我们应该能够使用机械应力来控制电化学行为。”

虽然这些新结果没有指出消除树突形成的方法，但它们确实提出了一种控制树突生长方向的方法。这可能会导致控制树突轨迹的策略，防止它们穿过电解质并使它们无害。

“我们解决了电池研究人员争论多年的科学难题，”该研究的主要作者、麻省理工学院的材料科学家和电化学工程师科尔·芬奇(Cole Fincher)说。“了解固体电解质失效的原因和方式，为我们指明了设计性能更高、更可靠的更好固态电池的新方法。”

在这项新研究中，研究人员弯曲电解质对其施加压力。然而，他们说可能有许多不同的方法来产生转移树突所需的压力。

例如，电解液可能具有两层材料，在加热或冷却时膨胀和收缩量不同，就像在一些恒温器中的情况一样。这将导致电解质固有的弯曲。

另一种策略是在电解液中加入导致永久机械扭曲状态的成分。研究人员说，这种“掺杂”方法被用于生产用于智能手机和平板电脑屏幕的超硬玻璃。

研究人员指出，一种被称为堆栈压力的压力通常应用于电池。这将力施加到电池极板上，在某种程度上有点像通过在三明治上放一个重量来压缩三明治。然而，他们发现堆叠压力加速了基于树突的电池故障。为了防止树突引起的断裂，需要沿着板的平面施加压力，就像三明治从侧面被挤压一样。

科学家们注意到，大约150到200兆帕的压力足以阻止树突穿过电解质。虽然这看起来很多，但马里亚纳海沟底部的压力海洋的最深处只有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，”芬奇说。“它存在于你的钢化玻璃车窗、手机屏幕上，Corelle盘子以及用于汽车和航空航天应用的复合材料等工程结构。”

科学家们现在计划根据他们的新发现制造功能性原型电池，并弄清楚大规模生产这种电池可能需要什么样的制造工艺。蒋说，未来的研究还可以调查这种效应是否存在于所有的固体电解质中。

研究人员详细介绍了他们的发现11月18日焦耳。