斯坦福大学的科学家阐明了下一代快速充电电池的障碍

采用固态电解质的新型锂金属电池重量轻、易燃、能量大、充电速度快，但由于莫名其妙的短路和故障，开发进展缓慢。现在，斯坦福大学和 SLAC 国家加速器实验室的研究人员表示，他们已经解开了这个谜团。

它归结为压力——更准确地说是机械压力——尤其是在强力充电期间。

资深作者、材料科学与工程副教授William Chueh解释说：“电池的轻微压痕、弯曲或扭曲会导致材料中的纳米级裂缝打开，锂会侵入固体电解质，从而导致短路。” 工程学院，以及新斯坦福杜尔可持续发展学院的能源科学与工程学院。

“即使是制造过程中引入的灰尘或其他杂质也会产生足以导致故障的应力，”与 机械工程助理教授Wendy Gu一起领导这项研究的 Chueh 说。

固体电解质失效的问题并不新鲜，许多人已经研究过这种现象。关于究竟是什么原因的理论比比皆是。有人说电子的意外流动是罪魁祸首，而其他人则指出化学。还有一些人认为不同的力量在起作用。

在 1 月 30 日发表 在《 自然能源》杂志上的一项研究中，共同主要作者 Geoff McConohy、 Xin Xu和 Teng Cui 在严格的、具有统计学意义的实验中解释了纳米级缺陷和机械应力如何导致固体电解质失效。世界各地试图开发新型固体电解质可充电电池的科学家可以围绕这个问题进行设计，甚至可以将这一发现转化为他们的优势，正如这个斯坦福团队目前正在研究的那样。能量密集、快速充电、不易燃、使用寿命长的锂金属电池可以克服电动汽车广泛使用的主要障碍，还有许多其他好处。

统计学意义

许多当今领先的固体电解质都是陶瓷的。它们能够快速传输锂离子，并在物理上将储存能量的两个电极分开。最重要的是，它们是防火的。但是，就像我们家中的陶瓷一样，它们的表面会出现微小的裂缝。

研究人员通过 60 多项实验证明，陶瓷通常充满纳米级裂缝、凹痕和裂缝，许多宽度小于 20 纳米。(一张纸大约有 100,000 纳米厚。)在快速充电过程中，Chueh 和团队说，这些固有的裂缝会打开，让锂侵入。

在每个实验中，研究人员将电探针应用于固体电解质，制造出微型电池，并使用电子显微镜实时观察快速充电。随后，他们使用离子束作为手术刀来了解为什么锂会根据需要聚集在陶瓷表面的某些位置，而在其他位置它开始挖洞，越来越深，直到锂桥接穿过固体电解质，造成短路。

区别在于压力。当电探针仅接触电解质表面时，即使电池在不到一分钟内充电，锂也会漂亮地聚集在电解质顶部。然而，当探针压入陶瓷电解质时，模仿压痕、弯曲和扭曲的机械应力，电池短路的可能性更大。

理论付诸实践

真实世界的固态电池由一层又一层堆叠的阴极-电解质-阳极片构成。电解质的作用是将阴极与阳极物理分离，但允许锂离子在两者之间自由移动。如果阴极和阳极接触或以任何方式电连接，例如通过金属锂隧道，就会发生短路。

正如 Chueh 和团队展示的那样，即使是细微的弯曲、轻微的扭曲或电解质和锂阳极之间的灰尘斑点也会导致难以察觉的裂缝。

“如果有机会钻入电解质，锂最终会蜿蜒穿过，连接阴极和阳极，”McConohy 说，他去年在 Chueh 的实验室完成了博士学位，现在在工业界工作。“当这种情况发生时，电池就会失效。”

研究人员说，新的理解被反复证明。他们使用扫描电子显微镜记录了该过程的视频——同样的显微镜无法看到未经测试的纯电解质中新生的裂缝。

徐解释说，这有点像在完美的路面上出现坑洞的方式。在雨雪中，汽车轮胎将水压入路面上预先存在的微小缺陷，产生随着时间的推移不断扩大的裂缝。

“锂实际上是一种柔软的材料，但是，就像坑洞中的水一样，它所需要的只是扩大差距并导致失败的压力，”Chueh实验室的博士后学者徐说。

有了新的理解，Chueh 的团队正在寻找在制造过程中有意使用这些完全相同的机械力来强化材料的方法，就像铁匠在生产过程中对刀片进行退火一样。他们还在寻找在电解质表面涂上涂层以防止出现裂纹或在裂纹出现时进行修复的方法。

“这些改进都始于一个问题：为什么?”顾实验室的博士后学者崔说。“我们是工程师。我们能做的最重要的事情就是找出事情发生的原因。一旦我们知道了这一点，我们就可以改进事情。”