上圖（a）表示具有不連續(xù)界面的鋰金屬固態(tài)電池。這些空隙與不連續(xù)是通過固態(tài)電解質(zhì)生長枝晶的主要驅(qū)動因素，這會使器件短路。可通過某些金屬組成適當(dāng)?shù)膴A層來最小化這些空隙。

在電解質(zhì)中添加某些金屬可以制造出比現(xiàn)在更耐用的電池，使用壽命更長，充電速度更快。

研究人員表示，他們發(fā)現(xiàn)了固態(tài)鋰電池失效的一個關(guān)鍵原因，通過這個原因研發(fā)制定了一種更持久電池的戰(zhàn)略計劃，這種電池比目前的電池具有更快充電速度。

印度科學(xué)研究所（IISc）的研究團隊對固態(tài)電池內(nèi)的枝晶進行了查驗，他們認為這是目前在大多數(shù)設(shè)備中使用的鋰離子電池的可行替代品。

研究人員意識到，在其中一個電極上早期出現(xiàn)的微小空隙可能是形成枝晶的關(guān)鍵原因，這些細小的枝晶穿刺電極與電解質(zhì)之間的屏障。枝晶可引起電池短路，導(dǎo)致電池出現(xiàn)故障，這就是為什么科學(xué)家多年來一直要找出問題的根本原因。 

IISc研究所的固態(tài)與化學(xué)結(jié)構(gòu)（SSCU）助教兼項目負責(zé)人Naga Phani Aetukuri解釋道：“這意味著現(xiàn)在我們制造優(yōu)質(zhì)電池的任務(wù)是非常簡單的。我們所需要的是確保電池內(nèi)部沒有空隙形成。”

然而，說起來容易，做起來難。IISc研究團隊通過他們的發(fā)現(xiàn)研發(fā)了一項技術(shù)，在電解質(zhì)表面添加一層薄薄的金屬，他們表示該技術(shù)可以明顯減少空隙的形成。據(jù)研究人員匯報，該解決方案還可以延長研發(fā)的固態(tài)電池的壽命，以及能夠更快充電。

觀察電池內(nèi)部

在目前的鋰離子電池設(shè)計中，固態(tài)電池將液體電解液換成了固體陶瓷電解質(zhì)，同時也將用于陽極的石墨換成了金屬鋰。

在更高的溫度下，陶瓷電解質(zhì)往往比其他材料電解質(zhì)表現(xiàn)得更好，這在進行這項研究的國家尤其有用。鋰要比石墨更輕，可以儲存更多的電荷，這可以顯著降低電池成本。

Aetukuri表示，不幸的是，與液體電解液一樣，固態(tài)電池也面臨著枝晶生長到固體電解質(zhì)中，導(dǎo)致正極和負極短路的問題。

調(diào)查研究為什么會發(fā)生此類情況，Aetukuri的博士研究生Vikalp Raj通過反復(fù)給數(shù)百塊電池充電，分割鋰電解質(zhì)界面內(nèi)的薄片，在掃描電子顯微鏡下對其進行檢查，人工誘導(dǎo)了枝晶的形成。

研究人員說，這就是該團隊如何了解到，在放電過程中，鋰陽極中形成的邊緣有電流的微觀空洞比電池平均電流大約1萬倍。他們說，這對固體電解質(zhì)造成了壓力，并加速了枝晶的生長。

解決方案

Aetukuri表示，為了解決這個問題，研究人員在鋰陽極和固體電解質(zhì)之間放置了一層超薄的難熔金屬，作為屏蔽層，以保護固體電解質(zhì)免受壓力，并重新分配電流。難熔金屬是耐熱和耐磨的金屬。

對于項目這一方面，來自印度的團隊與卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員合作，后者進行了計算分析。研究人員說，這向研究團隊證明，難熔金屬層確實延緩了微觀鋰空洞的生長。

該團隊將工作論文發(fā)表在《Nature Materials》雜志上。研究人員表示他們的工作是研發(fā)固態(tài)電池的關(guān)鍵一步，這種電池可以在商業(yè)上與液體電解液的鋰離子電池競爭。而且，他們的工作還可以擴展到其他種類的電池，例如鈉、鋅、鎂等金屬。

中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會 楊柳翻譯

2022.7.15