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MIT团队宣称，他们搞清了制约固体锂电池的最大瓶颈——枝晶的成因

理论上，固体锂电池比当前电池更轻、更紧凑、更安全，是世界各地实验室多年来一直所追求的梦中电池。现今普遍使用的是锂离子聚合物电池。

关键差异在于，用更薄、更轻的固体陶瓷材料层代替位于正极和负极之间的液体电解质，并用固体锂金属代替其中一个电极。这将大大减少电池的整体尺寸和重量，并消除与易燃液体电解质相关的安全风险。但轻质固态锂电池一直受到一个大问题的困扰：枝晶。

枝晶，是金属的突起。在电池内部，因为未知的原因，会有尖锐的晶体生长，就像树木的枝干，最终从一个电极伸到另一个电极处并使电池短路(会燃烧起火)。能够搞清相关机制的人，肯定会被授予诺贝尔化学奖。但既然一直还没有化学家站出来揭开这一问题的神秘面纱，现在仅存在暂缓枝晶生长速度的工艺，所以这一现象制约了轻质固态电池的使用寿命和稳定性，导致固体锂电池至今仍算不上是实用的选项。

现在，具体说是前天，发表在《焦耳》上、由麻省理工学院教授 Ye-Ming Chiang、研究生 Cole Fincher 以及麻省理工学院和布朗大学的其他五人共同撰写的论文，似乎 解决了这一问题。

Chiang说，早期工作中，他们做出了“令人惊讶和意外”的发现：充放电时，用于固态电池的坚硬固体电解质材料可以在此过程中被锂穿透，锂离子可在材料两侧穿梭。

离子的这种来回穿梭导致电极的体积发生变化。这不可避免地会在固体电解质中产生应力，它必须与夹在其间的两个电极保持完全接触。 “要沉积这种金属，必须扩大体积，因为你正在增加质量，因此，锂沉积一侧的体积增加了。如果系统还存在微观缺陷，这将对那些可能导致开裂的缺陷施加压力。”

该团队现在已经表明，这些压力会导致形成枝晶的裂缝。解决方法是 更多的压力，施加在正确的方向和适当的力度上。

虽然以前，一些研究人员认为枝晶是由纯电化学过程而不是机械过程形成的，但该团队的实验表明，是机械应力导致了这个问题。

枝晶形成的过程通常发生在电池单元的不透明材料深处，无法直接观察到，因此 Fincher 开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法，可以直接看到和记录整个过程。

该团队证明，他们可以简单地通过施加和释放压力来直接控制枝晶的生长。

对固体电解质施加机械应力并不能消除枝晶的形成，但它确实控制了它们的生长方向。这意味着它们可以被引导以保持与两个电极平行，并防止它们穿过另一侧，从而变得无害。

研究人员尝试借助弯曲材料引起压力，自然引导枝晶的生长方向。

另一种方法是用原子“掺杂”材料，使其变形并并处于永久受压状态。Chiang解释说，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。而且所需的压力并不极端：实验表明，150 到 200 兆帕的压力足以阻止枝晶穿过电解质。

这在工业上并不难于实现。

事实上，一种不同的应力，所谓的电池堆压力，通常通过在垂直于电池板的方向上挤压材料来施加到电池单元上——有点像放置重物来压泡面。人们认为这可能有助于防止层分离。但现在的实验表明，该方向的压力实际上会加剧枝晶的形成。

相反，需要的是沿板平面的压力，就像从侧面挤压牙膏一样。 “我们在这项工作中展示的是，当你施加压缩力时，你可以迫使晶体沿压缩方向行进。”Fincher说，如果该方向沿着板的平面，枝晶“将永远不要到达另一边。”

最终，固体电解质+金属锂电极的电池在理论上已变得可行。这些不仅可以在给定的体积和重量中包含更多的能量，而且还可以消除对易燃材料液体电解质的需求。

该研究团队包括布朗大学的 Christos Athanasiou 和 Brian Sheldon，以及麻省理工学院的 Colin Gilgenbach、Michael Wang 和 W. Craig Carter。

https://techxplore.com/news/2022-11-mystery-path-smaller-lighter-batteries.html

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