大多數(shù)電池由兩個稱為電極的固體電化學活性層組成，并由被注入液體或凝膠電解質(zhì)的聚合物膜隔開。但最近的研究探討了全固態(tài)電池的可能性，其中液體(潛在易燃)電解質(zhì)將被固體電解質(zhì)替代，這可以增強電池的能量密度和安全性。

現(xiàn)在，麻省理工學院的一個團隊第一次探索了硫化物基固體電解質(zhì)材料的機械性能，以確定其結(jié)合到電池中時的機械性能。

新的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在本周的“高級能源材料”雜志上發(fā)表，該論文由麻省理工學院的研究生FrankMcGrogan和TusharSwamy，材料科學與工程教授KrystynVanVliet，材料科學與工程教授陳明清，另外四位包括由麻省理工學院材料科學與工程中心及其材料加工中心管理的國家科學基金會本科研究經(jīng)驗(REU)的本科生。

鋰離子電池提供了一種輕量級的儲能解決方案，使許多當今的高科技設(shè)備可用，從智能手機到電動汽車。但是在這種電池中，用固體電解質(zhì)代替常規(guī)的液體電解質(zhì)可具有顯著的優(yōu)點。重量相當時，這種全固態(tài)鋰離子電池可以在電池組級別提供甚至更大的能量存儲能力。它們還可以基本上消除被稱為“樹突”的微小的，指狀的金屬突起帶來的風險，樹突可以穿透電解質(zhì)層生長并導致短路。

“全固態(tài)電池是性能和安全性的有吸引力選擇，但仍有一些挑戰(zhàn)。”VanVliet說。在當今市場占主導地位的鋰離子電池中，鋰離子在電池充電時通過液體電解質(zhì)從一個電極到達另一個電極，然后在使用時通過相反的方向流過。“這些電池是非常有效的，但液體電解質(zhì)具有化學不穩(wěn)定性，甚至是易燃的。”VanVliet說。“所以，如果電解質(zhì)是固體會更安全，并且體積更小，重量更輕。”

但是使用這種全固體電池的大問題是當電極反復充電和放電時，電池內(nèi)部的電解質(zhì)材料可能發(fā)生什么樣的機械應(yīng)力。這種循環(huán)使得電極隨著鋰離子進入和離開其晶體結(jié)構(gòu)而膨脹和收縮。在剛性電解質(zhì)中，這些尺寸變化可能導致較高應(yīng)力。如果電解質(zhì)也是脆性的，尺寸的恒定變化可導致裂紋，并迅速地降低電池性能，甚至可能產(chǎn)生利于損壞電池的樹突形成的通道，如在液體電解質(zhì)電池中那樣。但是，如果材料抗斷裂，那些應(yīng)力可以在材料快速開裂前被吸納。

到目前為止，硫化物對正常實驗室空氣的極端敏感性對測量其機械性能，包括斷裂韌性提出了挑戰(zhàn)。為了避免這個問題，研究人員在礦物油浴中進行機械測試，保護樣品免受與空氣或水分的任何化學相互作用。使用該技術(shù)，他們能夠詳細測量硫化鋰的機械性能，硫化鋰被認為是全固態(tài)電池電解質(zhì)最有希望的候選者。

“固體電解質(zhì)有很多不同的候選者，”McGrogan說。其他團體已經(jīng)研究了鋰離子導電氧化物的機械性能，但是迄今為止對硫化物的研究很少，即使它們能夠快速地傳導鋰離子而非常具有潛力。

此前，研究人員使用聲學測量技術(shù)，使聲波通過材料以探測其機械行為，但是該方法不能量化材料對斷裂的抵抗力。本項新研究工作使用細尖探針進入材料并監(jiān)測其響應(yīng)，測量出了材料更重要的性能，包括硬度，斷裂韌性和楊氏模量(衡量材料的拉伸能力在施加應(yīng)力下可逆)。

“研究小組已經(jīng)測量了硫化物基固體電解質(zhì)的彈性性能，但沒有測量斷裂性能，”VanVliet說。斷裂性能對于預測材料在電池中用作電解質(zhì)時是否可能破裂或破碎是至關(guān)重要的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，該材料的綜合性能類似于橡皮泥或鹽水太妃糖的性質(zhì)組合：當經(jīng)受應(yīng)力時，它可以容易地變形，但是在足夠高的應(yīng)力下它可以像脆性玻璃片一樣裂開。

“通過詳細了解這些屬性，你可以計算材料在斷裂之前能承受多大的應(yīng)力，并且在設(shè)計電池系統(tǒng)時考慮到這些信息。”VanVliet說。

事實證明，硫化物材料比電池使用的理想材料更脆。“但是只要已知其性質(zhì)，并且系統(tǒng)設(shè)計恰當，該材料仍然可以具有用作固態(tài)電解質(zhì)的潛力。”McGrogan說。“你必須圍繞這個知識進行設(shè)計。”