近日，一項美國麻省理工的研究為固態(tài)鋰電池的進一步突破性發(fā)展提供了線索。

在11月18日的《焦耳》雜志中，由美國麻省理工大學華裔科學家，蔣業(yè)明教授領導的團隊成功解釋了可充電鋰電池內鋰枝晶的形成原因，以及如何防止其穿過電解液的方法，解決了固態(tài)鋰電池發(fā)展中的難題，為設計出更輕、更緊湊、更安全的電池的邁出了重要一步。

(資料圖)

《焦耳》是Nature子刊級別雜志，能源領域的頂級刊物。

研究指出，目前來看，可充電鋰金屬電池的商業(yè)用途還很有限，其中一個重要的原因就是鋰枝晶（樹突）。鋰枝晶是一種細長的觸須狀金屬細絲，在電池多次充放電循環(huán)后于鋰陽極上形成的微小的樹狀缺陷，如果樹突與陰極接觸，就會導致電池短路。

科學家們一直以來都致力于用鋰金屬陽極取代現(xiàn)有電池中使用的石墨陽極，鋰金屬陽極的理論容量是傳統(tǒng)石墨陽極的10倍，但是，因為樹突的存在也會大大縮短電池的使用壽命。因此，媒體稱，麻省理工大學此次在鋰枝晶研究上的突破，是固態(tài)鋰電池發(fā)展之路上的重要里程碑。

鋰枝晶是因機械應力形成

在之前的研究中，一些研究人員認為，鋰枝晶是在純電化學過程而非是機械過程形成的，但麻省理工大學團隊在研究中發(fā)現(xiàn)，導致問題的是機械應力。

電池枝晶的形成過程通常發(fā)生在不透明材料的深處，無法直接觀察到，因此研究人員開發(fā)了一種使用透明電解液制造薄電池的方法，可直接看到和記錄整個過程。

蔣業(yè)明教授說，在小組早期的研究中，他們有了一個“意想不到的”的發(fā)現(xiàn)：在電池充放電的過程中，用于固態(tài)電池的電解質材料可以被鋰穿透，同時他們還發(fā)現(xiàn)鋰離子會在電池兩側來回移動，這種來回穿梭導致了電極的體積發(fā)生了變化。

蔣教授稱，這種體積上的變化使固體電解質中產生了機械應力，他說：

因為固體電解質必須與兩個電極保持完全接觸，因此產生了機械應力。
因此鋰的沉積，使電池一側的體積增加了。如果存在微小的缺陷，在電池使用的過程中，就會對這些導致開裂的微小缺陷造成壓力，產生鋰枝晶。

運用機械應力就可以控制鋰枝晶方向

因此，在發(fā)現(xiàn)機械應力是產生鋰枝晶的原因后，蔣教授團隊就開始著手研究，怎么利用機械應力控制鋰枝晶。

從此前的研究報告來看，幾十年來，研究人員一直認為堅硬的固體電解質，如陶瓷制成的電解質最能防止樹突穿透電池，也有很多人認為，需要從一開始就阻止樹突的“形成”或“成核”，否則就會像在汽車擋風玻璃上擴散的小裂縫一樣。

而蔣業(yè)明發(fā)現(xiàn)，只需施加和釋放壓力，就可直接控制鋰枝晶的生長，使鋰枝晶與力的方向完全一致，并不需要消除鋰枝晶：對機械應力的運用可以引導它們與兩個電極保持平行，并防止它們穿過另一側，從而不會引起短路等現(xiàn)象。蔣教授說：

我們通過使用機械壓力來彎曲材料，以此來證明我們是可以控制鋰枝晶的生長方向的。

同時，MIT團隊還設計出在商用電池中實現(xiàn)的幾種方法。該裝置可以結合具有不同熱膨脹性能的材料來運用機械應力，或是在材料中“摻雜”嵌入原子，使其變形并處于永久的應力狀態(tài)。

而且更重要的是，實驗表明，大約在150到200兆帕斯卡的壓力足以阻止鋰枝晶穿過電解液，目前該方案是完全可以實現(xiàn)的。

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