幾乎每個(gè)人都忍受了手機(jī)沒(méi)電才能獲得充電的挫敗感，盡管電動(dòng)汽車越來(lái)越普及，但在電池電量耗盡之前可以行駛多遠(yuǎn)仍受到限制。確實(shí)，電池的能量密度(在給定的質(zhì)量或體積中包裝多少能量)已成為消費(fèi)電子，電動(dòng)汽車和可再生能源的主要挑戰(zhàn)。

加州理工學(xué)院的新進(jìn)展可能會(huì)大大改善事情。朱莉婭·格里爾(JuliaR.Greer)實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種可能導(dǎo)致鋰離子電池更安全，功能更強(qiáng)大的發(fā)現(xiàn)。他們的發(fā)現(xiàn)為最常見(jiàn)的可充電電池之一鋰離子電池安全地容納多達(dá)50%的能量提供了指導(dǎo)。

常規(guī)的鋰離子電池使用石墨構(gòu)成陽(yáng)極，即電流進(jìn)入電池單元的電極。石墨自30年來(lái)一直是該任務(wù)的首選材料，因?yàn)樗亓枯p，穩(wěn)定，價(jià)格合理，并且可以承受無(wú)數(shù)次電池循環(huán)的考驗(yàn)。Greer，加州理工學(xué)院的RubenF.和DonnaMettler的材料科學(xué)，力學(xué)和醫(yī)學(xué)工程教授以及Kavli納米科學(xué)研究所的FletcherJones基金會(huì)理事說(shuō)，如果只能克服一些技術(shù)挑戰(zhàn)，那就可以找到更好的材料。

她說(shuō)：“使用鋰而不是石墨陽(yáng)極的電池，每個(gè)需要功率的應(yīng)用都會(huì)受益，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└嗟墓β剩彼f(shuō)。“鋰是輕質(zhì)的，它不占用太多空間，而且能量密度極大。”

但是這里是鋰金屬的問(wèn)題：當(dāng)電池經(jīng)過(guò)許多次充放電循環(huán)時(shí)，鋰自然形成樹(shù)枝狀晶體，這些晶體形成一種分支狀的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。在電池充電過(guò)程中，樹(shù)枝狀晶體在鋰金屬電池中無(wú)法控制地生長(zhǎng)，并且可以像細(xì)線一樣作用，當(dāng)它們穿透系統(tǒng)時(shí)會(huì)短路并殺死電池。

格雷爾說(shuō)，研究人員長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋找防止這種增長(zhǎng)的新方法。一種可能的方法是將某些物體物理地壓在鋰金屬上以抑制枝晶。盡管典型的鋰離子電池具有液態(tài)電解質(zhì)(將兩個(gè)電池電極分開(kāi)并通過(guò)鋰??離子移動(dòng)的物質(zhì))，但是使用固態(tài)電解質(zhì)的電池理論上可以施加足夠的機(jī)械壓力來(lái)阻止枝晶。

然而，在對(duì)具有固體電解質(zhì)的電池進(jìn)行研究之后，樹(shù)枝狀晶體仍在生長(zhǎng)。

格雷爾懷疑固態(tài)電解質(zhì)的強(qiáng)度不足以抵抗樹(shù)枝狀晶體的生長(zhǎng)，因?yàn)檠芯咳藛T低估了尺寸為納米級(jí)的樹(shù)枝狀晶體的強(qiáng)度。他們低估了它，因?yàn)楹暧^鋰是一種相對(duì)軟的金屬，可與鉛和錫媲美。她說(shuō)，小規(guī)模的金屬?gòu)?qiáng)度可能比大規(guī)模的金屬高100倍。

格雷爾說(shuō)：“如果您想到的是珠寶，例如金或銅，它的延展性很強(qiáng)。您可以用自己的雙手輕松地使其變形。”他專門(mén)研究納米材料的機(jī)械性能。“但是，當(dāng)減小相同金屬的尺寸時(shí)，強(qiáng)度可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。”

2015年，Greer和她的同事們雕刻了微小的鋰柱，并測(cè)試了它們的彈性，發(fā)現(xiàn)它們至少比人們想象的要強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。格雷爾說(shuō)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置并未完全反映出鋰枝晶在真實(shí)電池中的表現(xiàn)方式。為了更準(zhǔn)確地模擬這一點(diǎn)，她和她的合作者，包括格里爾實(shí)驗(yàn)室的校友邁克爾·奇特林(MichaelCitrin)和博士后學(xué)者衡陽(yáng)(HengYang)，以及FrontEdgeTechnology的西蒙·尼爾(SimonNieh)，制造了一種電池，該電池設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)與純鋰枝晶非常相似的電池。在電池中形成。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些樹(shù)枝狀晶體的強(qiáng)度是散裝鋰的24倍。

有了這些信息，研究人員現(xiàn)在對(duì)使鋰陽(yáng)極電池工作所需的條件有了更好的了解。格里爾說(shuō)，這代表了一項(xiàng)重大的研究挑戰(zhàn)，因?yàn)榫酆衔锖吞沾?通常用于固體電解質(zhì)的材料)都有缺點(diǎn)。大多數(shù)聚合物太軟，無(wú)法承受樹(shù)枝狀晶體的生長(zhǎng)，而陶瓷則容易在樹(shù)枝狀晶體施加的壓力下破裂。

有了這些新發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家便有了一個(gè)起點(diǎn)。她說(shuō)：“這與電池研究息息相關(guān)，是基礎(chǔ)研究與技術(shù)進(jìn)步息息相關(guān)的真實(shí)體現(xiàn)。”

這項(xiàng)研究在《MRS公報(bào)》上的一篇論文中進(jìn)行了描述，該論文的標(biāo)題為“從離子到原子再到樹(shù)突：電沉積鋰的形成和納米力學(xué)行為”。