電池研究領(lǐng)域充滿了路障和瓶頸，但有一個問題是無法繞過的，被稱為枝晶的生長物持續(xù)困擾著許多類型的下一代電池設(shè)計，但麻省理工學院領(lǐng)導的新研究聲稱已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了問題的根源，并表明如何通過巧妙地使用機械應(yīng)力來消除它。

枝晶是薄薄的、像觸角一樣的金屬絲，當鋰電池循環(huán)次數(shù)足夠多或者工況不佳時，它們會在電極上發(fā)展，蜿蜒進入電解液，導致短路、變熱甚至起火等問題。我們已經(jīng)看到了各種抑制枝晶生長的創(chuàng)造性方法，但是這項新研究的作者認為他們已經(jīng)為這個問題帶來了新的、亟需的解決方案。

科學家們正在試驗一種固態(tài)電池，一種以固態(tài)電解質(zhì)材料而不是傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)為特征的結(jié)構(gòu)，就像在一個典型的電池中，當設(shè)備被充電和放電時，鋰離子在兩個電極之間穿梭，在這種情況下，鋰離子會通過固體電解質(zhì)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管固體電解質(zhì)是由一種相對堅硬的材料制成的，但當離子在兩側(cè)的電極之間移動時，非常柔軟的鋰能夠穿透它。這是電極在接受和沉積鋰時體積變化的結(jié)果，這反過來會導致有問題的機械應(yīng)力。

麻省理工學院教授Yet-Ming Chiang說：“為了沉積這種金屬，必須有一個體積的擴張，因為正在增加新的質(zhì)量。因此，在鋰被沉積的電池一側(cè)，體積會增加。如果有哪怕是微小的缺陷存在，這將對這些缺陷產(chǎn)生壓力，從而導致開裂?！?/p>

研究人員說，這些裂縫是枝晶形成的條件，他們能夠在一種設(shè)計為透明的實驗性電解質(zhì)材料中重現(xiàn)這一過程。枝晶的形成通常是在電池單元的不透明材料中進行的，這也是關(guān)于什么原因?qū)е轮б约叭绾巫柚怪纬傻拿苡^點之一。通過能

夠直接觀察這一現(xiàn)象，科學家們能夠想出新的方法來防止枝晶造成損害。

在后續(xù)的實驗中，研究小組表明有可能施加機械壓力，以引導枝晶的生長，使它們完全按照壓力的方向“之”字形生長。雖然不能完全阻止它們的形成，但這意味著它們有可能被轉(zhuǎn)入電極中長期生長，而不是迅速地伸到電解質(zhì)當中造成電池本體的破壞。

該團隊通過使用機械壓力彎曲材料來證明這一點，并設(shè)想在現(xiàn)實生活中的電池中實現(xiàn)這一目標的一些方法。該設(shè)備可以加入具有不同熱膨脹特性的材料，以誘發(fā)彎曲，進而產(chǎn)生機械壓力，或者可以在材料中摻入導致扭曲的原子。重要的是，控制枝晶生長所需的壓力大約為150至200兆帕，該團隊表示這并不難實現(xiàn)。

如果他們能做到這一點并設(shè)計出一種電池，通過讓枝晶無害地穿過電極生長來克服這一問題，這項工作可能會釋放出非常有前途的下一代架構(gòu)，如固態(tài)鋰金屬電池。用純鋰金屬代替石墨和銅作為陽極之一，這些電池可以提供數(shù)倍于當今電池的能量密度，同時也更輕更安全，因為它們不使用易燃的液體電解質(zhì)。

從這里開始，該團隊的目標是展示一種具有這種形式的所需機械應(yīng)力的功能性電池，以指導枝晶的形成方向。

該研究發(fā)表在《焦耳》雜志上。