麻省理工学院新技术解决枝晶问题
2022-11-22 14:24:48来源：cnBeta
电池研究领域充满了路障和瓶颈，但有一个问题是无法绕过的，被称为枝晶的生长物持续困扰着许多类型的下一代电池设计，但麻省理工学院领导的新研究声称已经发现了问题的根源，并表明如何通过巧妙地使用机械应力来消除它。
枝晶是薄薄的、像触角一样的金属丝，当锂电池循环次数足够多或者工况不佳时，它们会在电极上发展，蜿蜒进入电解液，导致短路、变热甚至起火等问题。我们已经看到了各种抑制枝晶生长的创造性方法，但是这项新研究的作者认为他们已经为这个问题带来了新的、亟需的解决方案。
科学家们正在试验一种固态电池，一种以固态电解质材料而不是传统的液体电解质为特征的结构，就像在一个典型的电池中，当设备被充电和放电时，锂离子在两个电极之间穿梭，在这种情况下，锂离子会通过固体电解质。
研究人员发现，尽管固体电解质是由一种相对坚硬的材料制成的，但当离子在两侧的电极之间移动时，非常柔软的锂能够穿透它。这是电极在接受和沉积锂时体积变化的结果，这反过来会导致有问题的机械应力。
麻省理工学院教授Yet-Ming Chiang说："为了沉积这种金属，必须有一个体积的扩张，因为正在增加新的质量。因此，在锂被沉积的电池一侧，体积会增加。如果有哪怕是微小的缺陷存在，这将对这些缺陷产生压力，从而导致开裂。"
研究人员说，这些裂缝是枝晶形成的条件，他们能够在一种设计为透明的实验性电解质材料中重现这一过程。枝晶的形成通常是在电池单元的不透明材料中进行的，这也是关于什么原因导致枝晶以及如何阻止枝晶形成的矛盾观点之一。通过能够直接观察这一现象，科学家们能够想出新的方法来防止枝晶造成损害。
在后续的实验中，研究小组表明有可能施加机械压力，以引导枝晶的生长，使它们完全按照压力的方向"之"字形生长。虽然不能完全阻止它们的形成，但这意味着它们有可能被转入电极中长期生长，而不是迅速地伸到电解质当中造成电池本体的破坏。
该团队通过使用机械压力弯曲材料来证明这一点，并设想在现实生活中的电池中实现这一目标的一些方法。该设备可以加入具有不同热膨胀特性的材料，以诱发弯曲，进而产生机械压力，或者可以在材料中掺入导致扭曲的原子。重要的是，控制枝晶生长所需的压力大约为150至200兆帕，该团队表示这并不难实现。
如果他们能做到这一点并设计出一种电池，通过让枝晶无害地穿过电极生长来克服这一问题，这项工作可能会释放出非常有前途的下一代架构，如固态锂金属电池。用纯锂金属代替石墨和铜作为阳极之一，这些电池可以提供数倍于当今电池的能量密度，同时也更轻更安全，因为它们不使用易燃的液体电解质。
从这里开始，该团队的目标是展示一种具有这种形式的所需机械应力的功能性电池，以指导枝晶的形成方向。
该研究发表在《焦耳》杂志上。
