麻省理工學院的發現為安全的固態鋰電池鋪平了道路

麻省理工學院的一項新發現最終可能會迎來固態鋰電池的發展，這種電池將比目前的鋰電池更輕、更緊湊、更安全。長期以來，固體電解質中稱為枝晶的金屬絲的生長一直是它們發展的障礙，但這項新研究解釋了枝晶如何形成以及如何操縱它們，從而產生了人們渴望已久的持久固態電池。

電池技術這一潛在飛躍的關鍵是用更薄更輕的固體陶瓷材料層替換正極和負極之間的液體電解質，並用金屬鋰替換其中一個電極。固體。這將顯著減小電池的尺寸和總重量，並消除與易燃液體電解質相關的安全風險。

樹突，其名稱源自拉丁語，意思是樹枝，是一種金屬突起物，可以在鋰表面堆積並穿透固體電解質，然後從一個電極延伸到另一個電極並使電池短路。研究人員未能就導致這些金屬細絲的原因達成一致，在如何防止它們從而使輕型固態電池成為一種實用選擇方面也沒有取得太大進展。

麻省理工學院教授蔣業明、首席研究員科爾芬奇以及麻省理工學院和布朗大學的其他五名研究人員發表在《焦耳》雜誌上的這項新研究似乎解決了導致樹突形成的原因以及如何防止樹突形成的問題使陰極和陽極接觸。

蔣說，在之前的工作中，該團隊做出了一個“驚人而出乎意料”的發現，即用於固態電池的硬質固體電解質材料在此過程中可以被鋰這種非常柔軟的金屬穿過。電池的充電和放電，因為鋰離子在電極之間移動。

離子的這種位移導致電極的體積發生變化。這不可避免地會在固體電解質中產生電壓，固體電解質必須與其插入的兩個電極保持完全接觸。 “為了沉積這種金屬，體積必須擴大，因為增加了新的質量，”蔣說。 “因此，沉積鋰的電池一側的體積會增加。即使存在微觀缺陷，也會對這些缺陷產生壓力，從而導致枝晶生長處出現裂紋。”

這些應力會導致裂紋，從而形成枝晶。事實證明，解決問題的方法是施加更大的壓力，以正確的方向和適當的力量施加壓力。

雖然一些研究人員之前認為樹突是通過純電化學過程而不是機械過程形成的，但該團隊的實驗表明機械應力是導致問題的原因。

枝晶形成的過程通常發生在電池單元不透明材料的深處，無法直接觀察到，因此芬奇開發了一種使用透明電解質製作薄電池的方法，可以直接看到和記錄枝晶的整個過程. “你可以看到當你對系統施加壓力時會發生什麼，你可以看到枝晶的行為是否與腐蝕或斷裂過程相稱，”他說。

該團隊證明，他們可以通過簡單地施加和釋放壓力來直接控制枝晶生長，使枝晶與力的方向完美對齊。

對固體電解質施加機械應力並不能消除枝晶的形成，而是控制它們的生長方向。這意味著可以引導它們與兩個電極保持平行，防止它們交叉到另一側，從而使它們無害。

在他們的測試中，研究人員使用了彎曲材料產生的壓力，該材料形成一端有重物的梁。但他們說，在實踐中，可能有許多不同的方法來產生必要的壓力。例如，電解質可以由兩層具有不同熱膨脹量的材料製成，從而導致材料固有地變形，就像某些恆溫器中發生的那樣。

另一種方法可能是用原子“摻雜”材料，一旦添加原子，材料就會變形並使其處於永久應力狀態。 Chiang 解釋說，這與生產智能手機和平板電腦屏幕中使用的超硬玻璃的方法相同。所需的壓力並不極端：實驗表明，150 至 200 兆帕的壓力足以阻止枝晶穿過電解質。

Fincher 補充說，所需的壓力“與商業薄膜生長過程和許多其他製造過程中通常產生的壓力相當”，因此在實踐中應該不難實施。

Fischer 解釋說，實際上有一種不同類型的應力，稱為堆壓力，通常會施加在電池上，本質上是在垂直於電池板的方向上擠壓材料——有點像通過在三明治上放置重物來壓縮三明治。這被認為有助於防止層分離。但實驗表明，該方向的壓力實際上會加劇枝晶的形成，因此正是電池自身的製造工藝阻礙了固態電池的工作。

相反，需要沿著板的平面施加壓力，就好像三明治從側面被壓縮一樣。 “我們在這項工作中展示的是，當你施加壓縮力時，你可以迫使樹突沿壓縮方向移動，”Fincher 說，如果這個方向是沿著板的平面，樹突“不會永遠達不到彼岸”。

這最終可以使生產具有固體電解質和鋰金屬電極的電池變得可行。這些電池不僅可以在給定的體積和重量下儲存更多的能量，而且可以消除使用易燃材料液體電解質的需要。

在演示了基本原理之後，該團隊的下一步將是嘗試將它們應用到功能性電池原型的創建中，以克服迄今為止昂貴電池生產的主要限制，因為它們含有鋰，但安全。

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這是在 Fri, 25 Nov 2022 10:00:46 +0000 在 https://scenarieconomici.it/scoperta-del-mit-apre-la-strada-a-batterie-al-litio-allo-stato-solido-e-sicure/ 的報紙 “Scenari Economici” 上發表的文章的翻譯。