今天的大多数锂离子电池，从汽车到手机，都可以使用液体作为两个电极之间的电解液。使用固体电解质可以为安全性和储能能力提供重大优势，但尝试这样做却面临着意想不到的挑战。
研究人员现在报告说，问题可能是对这种电池失效的错误解释。新的研究结果可以为开发含有固体电解质的锂电池开辟新的途径，在“ 能源材料 ”杂志上发表了一篇论文，该论文由麻省理工学院京瓷教授蒋明明撰写。麻省理工学院POSCO材料科学与工程教授W. Craig Carter; 和其他八个人。
电池中的电解质是正电极和负电极之间的材料 - 电池夹层中的一种填充物。每当电池充电或放电时，离子(带电的原子或分子)穿过电解质从一个电极穿过另一个电极。
但是这些液体电解质可能是易燃的，并且它们是由这种电池引起的一些火灾的原因。它们也容易形成枝晶 - 从一个电极构成的薄的指状金属凸起，如果它们一直到达另一个电极，就会产生可能损坏电池的短路。
研究人员试图通过使用由固体材料(例如某些陶瓷)制成的电解质来解决这些问题。这可以消除可燃性问题并提供其他大的好处，但测试表明，这些材料往往表现得有些不规律，并且比预期更容易发生短路。
根据这项研究，问题在于研究人员一直在关注寻找固体电解质材料的错误特性。普遍的想法是，材料的坚固性或松软度(称为剪切模量的特性)决定了枝晶是否可以渗透到电解质中。但是新的分析表明，表面的光滑度最重要。研究人员发现，电解质表面上的微小刻痕和划痕可以为金属沉积物提供支撑，使其开始强行进入。
蒋说，这表明只需专注于实现更光滑的表面就可以消除或大大减少固体电解质电池中枝晶形成的问题。除了避免与液体电解质相关的可燃性问题之外，该方法还可以使用固体锂金属电极。这样做可能会使锂离子电池的能量容量增加一倍 - 也就是说，它能够为给定的重量存储能量，这对于车辆和便携式设备都至关重要。
“树枝状结构的形成导致最终的短路故障，这是锂金属可充电电池无法实现的主要原因，”蒋解释说。(锂金属电极通常用于不可充电电池，但这是因为树枝状晶体仅在充电过程中形成。)
蒋说，锂可充电电池中枝晶形成的问题首先在20世纪70年代早期得到认可，“45年后这个问题仍然没有得到解决。但目标仍然是诱人的”，因为电池容量可能翻倍。通过使用锂金属电极。
在过去几年中，许多团体一直在尝试开发固体电解质，以此作为使用锂金属电极的一种方式。蒋说，主要有两种类型：锂磷硫化物和金属氧化物。通过所有这些研究工作，流行的想法之一是材料需要坚硬而不是弹性。但是这些材料往往在实验室测试中显示出不一致和混乱的结果。
蒋说，这个想法是有道理的 - 一种更硬的材料应该更能抵抗试图压入其表面的东西。但是新的工作，团队测试了四种不同类型的潜在固体电解质材料的样品，并观察了它们在充电和放电循环过程中的表现细节，表明枝晶实际上在坚硬的固体材料中形成的方式遵循完全不同的过程比那些在液体电解质中形成的那些。
在固体表面上，来自其中一个电极的锂开始通过电化学反应沉积在电解质表面上存在的任何微小缺陷上，包括微小的凹坑，裂缝和划痕。一旦初始沉积物形成在这样的缺陷上，它就会继续形成 - 而且，令人惊讶的是，积聚物从树枝状尖端伸出，而不是从它的基部延伸出来，因为它强行进入固体，就像楔子一样。打开一个更广泛的裂缝。
蒋说，这些材料“对表面缺陷的数量和尺寸非常敏感，而不是对材料的整体性能”。“这是导致失败的裂缝传播......它告诉我们，我们应该关注的更多是表面的质量，我们可以制造这些固体电解质薄膜的光滑和无缺陷。
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