隨著研究人員不斷突破電池設(shè)計(jì)的界限，尋求在給定的空間或重量中裝入更多的功率和能量，正在研究的比較有前途的技術(shù)之一是鋰離子電池，它在兩個(gè)電極之間使用固體電解質(zhì)材料，而不是典型的液體。

但這種電池一直受到一種趨勢(shì)的困擾，即在其中一個(gè)電極上形成樹(shù)枝狀的金屬突起，最終連接電解質(zhì)，使電池短路。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員已經(jīng)找到了一種阻止這種樹(shù)突形成的方法，這可能會(huì)釋放這種新型高能電池的潛力。

這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在《自然能源》雜志上，由麻省理工學(xué)院研究生理查德·帕克、蔣慧明教授和克雷格·卡特教授，以及麻省理工學(xué)院、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)、布朗大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的其他七人共同完成。

蔣解釋說(shuō)，固態(tài)電池是一項(xiàng)長(zhǎng)期尋求的技術(shù)，有兩個(gè)原因:安全性和能量密度。但是，他說(shuō)，“要達(dá)到這種有趣的能量密度，唯一的方法是使用金屬電極。”他說(shuō)，雖然可以將金屬電極與液體電解質(zhì)結(jié)合，仍然可以獲得良好的能量密度，但這不能提供與固體電解質(zhì)相同的安全優(yōu)勢(shì)。

他說(shuō)，固態(tài)電池只有在金屬電極上才有意義，但開(kāi)發(fā)這種電池的嘗試一直受到樹(shù)突生長(zhǎng)的阻礙，樹(shù)突最終會(huì)連接兩個(gè)電極板之間的間隙，導(dǎo)致電路短路，削弱或使電池中的細(xì)胞失去活性。

我們已經(jīng)知道，當(dāng)電流較高時(shí)，樹(shù)突形成得更快，這通常是為了快速充電所需要的。到目前為止，在實(shí)驗(yàn)固態(tài)電池中所獲得的電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際商業(yè)可充電電池所需要的電流密度。但蔣說(shuō)，這個(gè)前景值得追求，因?yàn)檫@種電池的實(shí)驗(yàn)版本可以存儲(chǔ)的能量已經(jīng)是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在固態(tài)和液態(tài)之間做出妥協(xié)，解決了樹(shù)突的問(wèn)題。他們制作了一個(gè)半固態(tài)電極，與固態(tài)電解質(zhì)材料接觸。半固態(tài)電極在界面上提供了一種自愈合的表面，而不是固體的脆性表面，后者可能導(dǎo)致微小的裂紋，為樹(shù)晶形成提供最初的種子。

這個(gè)想法是受到實(shí)驗(yàn)性高溫電池的啟發(fā)，這種電池的一個(gè)或兩個(gè)電極都由熔化的金屬組成。根據(jù)該論文的第一作者Park的說(shuō)法，幾百度的熔融金屬電池不可能用于便攜式設(shè)備，但這項(xiàng)工作確實(shí)證明了液體界面可以實(shí)現(xiàn)高電流密度，而不會(huì)形成枝晶。Park說(shuō):“我們的動(dòng)機(jī)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自愈元件的液相。”

他解釋說(shuō)，這種材料的固體性比液體性強(qiáng)，但與牙醫(yī)用來(lái)填充齲齒的汞齊合金相似，但仍然可以流動(dòng)并形成形狀。在電池正常工作的溫度下，“它會(huì)處于一種同時(shí)存在固相和液相的狀態(tài)，”在這種情況下，固相是由鈉和鉀的混合物組成的。蔣說(shuō)，研究小組證明，在20倍于使用固體鋰的電流下運(yùn)行該系統(tǒng)是可能的，而不會(huì)形成任何樹(shù)突。下一步是用一個(gè)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，該團(tuán)隊(duì)在固態(tài)鋰電極和固態(tài)電解質(zhì)之間引入了一層非常薄的液態(tài)鈉鉀合金。他們表明，這種方法也可以克服樹(shù)突問(wèn)題，為進(jìn)一步研究提供了另一種方法。

蔣說(shuō)，這種新方法可以很容易地應(yīng)用到許多不同版本的固態(tài)鋰電池上，目前世界各地的研究人員正在研究這種電池。他說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)的下一步將是展示該系統(tǒng)在各種電池架構(gòu)中的適用性。合著者維斯瓦納坦是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程教授，他說(shuō):“我們認(rèn)為我們可以將這種方法轉(zhuǎn)化為任何固態(tài)鋰離子電池。我們認(rèn)為它可以立即應(yīng)用于電池開(kāi)發(fā)，廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)等領(lǐng)域。”