研究人员发现锂枝晶形成原因 助力开发新型固态电池

据外媒报道，麻省理工学院（MIT）的研究人员获得新发现，或将为设计新型可充电固态锂电池打开大门。与现有产品相比，这种电池更轻、更紧凑、更安全。

（图片来源：麻省理工学院）

与采用易燃电解液的锂离子电池相比，固态电池采用更薄、更轻的固体陶瓷电解质，以及固体锂金属电极，大大减少了电池的整体尺寸和重量，并且更加安全。然而，在锂表面堆积生长的枝晶，可能穿透固体电解质，从一个电极交叉到另一个电极，使电池短路。

这项研究由麻省理工学院和布朗大学的研究人员共同进行，有望阐明锂枝晶的形成原因，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，在电池充放电过程中，锂离子在电池的两极之间移动。离子穿梭会导致电极体积发生变化，从而对固体电解质造成压力，因为固体电解质必须与两个电极完全接触。MIT教授Yet-Ming Chiang表示：“在电池中，出现锂沉积一侧的体积会增大。如果存在微小的缺陷，就会对有缺陷的地方产生压力，从而导致开裂。”

该团队现已证明，这些压力导致产生裂缝，从而形成枝晶。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量的力。

以前，一些研究人员认为，枝晶由纯电化学过程形成，而不是机械过程。然而，该团队的实验表明，导致这一问题的是机械压力。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，可以直接看到并记录整个过程。他表示：“对系统施加压力时，可以看到发生了什么。由此可以观察，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，只需施加和释放压力，就可以直接控制枝晶的生长，使枝晶与力的方向完全一致。对固体电解质施加机械压力，并不能避免枝晶形成，但确实可以控制枝晶的生长方向。因其经过引导可以与两个电极保持平行，并且不会交叉到另一边，避免对电池造成损害。

在测试过程中，研究人员采用通过弯曲材料而产生的压力。实际上，可以通过很多不同的方式来产生所需的压力。例如，可以使用具有不同热膨胀量的两层材料来制造电解质，从而使材料产生内在弯曲，如同某些恒温器。

另一种方法是在材料中“掺杂”嵌入其中的原子，使其变形并处于永久的应力状态。这与生产用于智能手机和平板电脑屏幕的超硬玻璃的方法相同。实验表明，150-200兆帕的压力足以阻止枝晶穿过电解质。

事实上，另一种称为堆叠压力的不同压力，经常被用在电池电芯上。本质上来说，是通过在垂直于电池极板的方向上挤压材料（有点像在三明治上加一个重物以产生压力），据称可能有助于防止分层。现在实验证明，这个方向的压力，实际上会加剧枝晶形成。与之相反，沿着平面施加压力，就像三明治从两侧被挤压一样，枝晶“永远不会到达另一边”。

该团队下一步将尝试将这些原理应用到创建功能电池原型，并找出量产此类电池所需的制造工艺。虽然已经申请了专利，但研究人员并不打算自己将该系统商业化。Fincher表示：“这只是对固态电池退化模式的一种理解。我们认为，该行业需要了解这一点，并在设计更好的产品时加以利用。”

封面来源：图虫创意