為了突破電池設(shè)計(jì)界限，在既定空間或重量中容納越來(lái)越多的電力和能量，研究人員正在探討一項(xiàng)更有前途的技術(shù)，在鋰離子電池的兩個(gè)電極之間采用固態(tài)電解質(zhì)材料，而不是電解液。
然而，這類(lèi)電池一直存在一個(gè)問(wèn)題，即其中一個(gè)電極上會(huì)形成金屬枝晶，最終連接電解質(zhì)，使電池短路。據(jù)外媒報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）等院校的研究人員現(xiàn)已找到一種防止枝晶形成的方法，有望提升這種新型高功率電池的潛力。
麻省理工學(xué)院參與此項(xiàng)研究的人員包括研究生Richard Park、教授Yet-Ming Chiang和 Craig Carter等人，其余研究人員分別來(lái)自德克薩斯農(nóng)工大學(xué)(Texas A&M University)、布朗大學(xué)(Brown University)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)。
固態(tài)電池兼具安全性和能量密度，因此這一技術(shù)備受關(guān)注。但研究人員Yet-Ming Chiang表示：“唯一能實(shí)現(xiàn)能量密度的方法是使用金屬電極?！睂⒔饘匐姌O與液體電解質(zhì)耦合，可以獲得良好的能量密度，但比起固態(tài)電解質(zhì)，無(wú)法獲得相同的安全優(yōu)勢(shì)。固態(tài)電池只有使用金屬電極才有意義，但這類(lèi)電池的開(kāi)發(fā)受到枝晶生長(zhǎng)的阻礙，枝晶體最終會(huì)填充兩個(gè)電極板之間的縫隙，導(dǎo)致電池短路。眾所周知，在快速充電的情況下，通常電流越大，枝晶形成得越快。目前，實(shí)驗(yàn)固態(tài)電池所能達(dá)到的電流密度，遠(yuǎn)低于商用可充電電池的需求。但研究人員認(rèn)為，其發(fā)展前景良好，因?yàn)檫@種實(shí)驗(yàn)版電池可以存儲(chǔ)的能量幾乎是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍。
該團(tuán)隊(duì)采取在固態(tài)和液態(tài)之間折衷的方法來(lái)解決枝晶問(wèn)題。研究人員制作半固態(tài)電極，與固態(tài)電解質(zhì)材料相接觸。半固態(tài)電極可以在界面上提供一種自我修復(fù)表面，而不是固態(tài)脆性表面，后者可能導(dǎo)致微小的裂縫，為枝晶形成埋下伏筆。
這一靈感來(lái)自實(shí)驗(yàn)性的高溫電池，其中一或兩個(gè)電極由熔融金屬構(gòu)成。據(jù)介紹，這種熔融金屬電池能達(dá)到數(shù)百攝氏度的溫度，無(wú)法用于便攜式設(shè)備。但通過(guò)這項(xiàng)工作確實(shí)可以看出，液體界面可以實(shí)現(xiàn)高電流密度，而不會(huì)形成枝晶。研究人員Richard Park表示：“出發(fā)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)基于精心挑選的合金的電極，以便引入一種可以作為金屬電極的自我修復(fù)組件的液相。”
與其說(shuō)這種材料是液體，不如說(shuō)它是固體，但類(lèi)似于牙醫(yī)用來(lái)填充齲洞的汞合金固體金屬，仍然能夠流動(dòng)和成形。在這種情況下，它由鈉和鉀的混合物制成，在正常的電池工作溫度下，處于一種既有固相又有液相的狀態(tài)。研究小組證明，在不形成任何枝晶的情況下，該系統(tǒng)的運(yùn)行電流可能比使用固態(tài)鋰大20倍。下一步將用實(shí)際的含鋰電極來(lái)復(fù)制這種性能。
在第二個(gè)版本的固態(tài)電池中，研究小組在固態(tài)鋰電極和固態(tài)電解質(zhì)之間引入一層非常薄的液態(tài)鈉鉀合金。結(jié)果表明，該方法也能克服枝晶問(wèn)題，為進(jìn)一步研究提供了另一種途徑。
研究人員表示，這種新方法適用于很多不同版本的固態(tài)鋰電池。該團(tuán)隊(duì)下一步將展示該系統(tǒng)對(duì)各種電池架構(gòu)的適用性。
