用固體物質(zhì)代替鋰離子電池中的液體電解質(zhì)可以將它們提升到一個(gè)新的安全和性能水平。所謂的固態(tài)電池更輕、更緊湊、更安全。盡管如此，它們還存在一個(gè)神秘問(wèn)題，導致它們無(wú)法成為為EV提供動(dòng)力的可行解決方案。

這個(gè)問(wèn)題是由枝晶引起的，樹(shù)枝狀細絲會(huì )在鋰表面堆積并穿透固體電解質(zhì)。最終，樹(shù)突(來(lái)自拉丁語(yǔ)中分支的名稱(chēng))可以從一個(gè)電極穿過(guò)另一個(gè)電極，從而使電池短路。這基本上意味著(zhù)它的消亡，但由于鋰離子電池包含大量能量，它可能是一個(gè)爆炸性事件，否定使用固體電解質(zhì)所承諾的所有安全性。

可以肯定的是，世界各地的研究人員一直在忙于找出導致枝晶形成的原因以及如何防止枝晶形成，但都無(wú)濟于事。麻省理工學(xué)院教授蔣業(yè)明及其團隊在《焦耳》雜志上發(fā)表的新研究似乎解決了枝晶形成的老問(wèn)題。它不僅解釋了它們是如何形成的，還解釋了如何防止枝晶穿過(guò)電解質(zhì)。

與人類(lèi)歷史上的許多發(fā)現一樣，這是一個(gè)“令人驚訝和意外”的發(fā)現。許多人想知道用于固態(tài)電池的硬質(zhì)固體電解質(zhì)材料怎么可能被鋰這種非常軟的金屬穿透。顯然，這可能是由于其結構在充電和放電過(guò)程中出現的裂紋。這些裂紋并非像以前認為的那樣是由純電化學(xué)過(guò)程引起的。相反，這是一個(gè)導致問(wèn)題的機械過(guò)程。

由于枝晶形成過(guò)程發(fā)生在電池單元不透明材料的深處，無(wú)法直接觀(guān)察到。該團隊開(kāi)發(fā)了一種透明電解質(zhì)，可以直接看到和記錄整個(gè)過(guò)程。利用他們收集到的知識，團隊成員證明他們可以通過(guò)簡(jiǎn)單地施加和釋放壓力來(lái)直接控制樹(shù)突的生長(cháng)，使樹(shù)突與力的方向完美對齊。

對固體電解質(zhì)施加機械應力并不能消除枝晶的形成，但可以控制其生長(cháng)方向。麻省理工學(xué)院的研究人員并沒(méi)有讓它們從一個(gè)電極穿過(guò)另一個(gè)電極證明它們可以被引導以保持平行于兩個(gè)電極。因此，它們保持無(wú)害，使固態(tài)電池能夠承受許多充電-放電循環(huán)而不會(huì )短路。

該團隊發(fā)現彎曲電解質(zhì)可以施加壓力并防止樹(shù)突交叉。實(shí)際上，可能會(huì )有更好的解決方案，例如使用兩層具有不同熱膨脹量的材料。這會(huì )導致材料固有彎曲，就像在某些恒溫器中所做的那樣。另一種方法是用原子摻雜電解質(zhì)，這些原子會(huì )嵌入其中，使其變形并使其處于永久受壓狀態(tài)。這種方法用于生產(chǎn)用于智能手機的超硬玻璃。

在展示了這一過(guò)程的理論原理后，該團隊將嘗試將它們應用到功能性電池原型中。雖然已經(jīng)申請了專(zhuān)利，但麻省理工學(xué)院的研究人員并不打算自己將該系統商業(yè)化。相反，他們認為從事固態(tài)電池開(kāi)發(fā)的公司應該從他們的發(fā)現中受益。希望這將導致固態(tài)電池盡快投放市場(chǎng)。

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