據最新一期《焦耳》雜志報道，美國麻省理工學(xué)院研究人員解釋了可充電鋰電池枝晶的形成原因以及如何防止其穿過(guò)電解液的方法。這一發(fā)現最終可能開(kāi)啟一種新型可充電鋰電池的設計之門(mén)，這種電池比目前的版本更輕、更緊湊、更安全。
到目前為止，可充電鋰金屬電池的商業(yè)用途還很有限，其中一個(gè)原因是枝晶。枝晶可在鋰表面堆積，滲透到固體電解液中，最終從一個(gè)電極交叉到另一個(gè)電極，使電池短路。
麻省理工學(xué)院的早期研究發(fā)現，鋰離子固體電解質(zhì)材料在電池充放電過(guò)程中來(lái)回穿梭，會(huì )導致電極的體積發(fā)生變化。這不可避免地在固體電解液中產(chǎn)生應力，它必須與夾在中間的兩個(gè)電極保持完全接觸。“為了沉積這種金屬，就必須擴大體積，因為新的質(zhì)量正在增加。因此，鋰電池一側的體積增加了。如果有哪怕是微小的缺陷存在，就將對這些缺陷產(chǎn)生壓力，從而導致開(kāi)裂。”
研究團隊現在發(fā)現，這些壓力會(huì )導致裂縫，從而形成枝晶。事實(shí)證明，解決問(wèn)題的辦法是以正確的方向和適當的力量施加壓力。
之前，一些研究人員認為枝晶是由純電化學(xué)過(guò)程而非是機械過(guò)程形成的，但該團隊的實(shí)驗表明，導致問(wèn)題的是機械應力。
電池枝晶的形成過(guò)程通常發(fā)生在不透明材料的深處，無(wú)法直接觀(guān)察到，因此研究人員開(kāi)發(fā)了一種使用透明電解液制造薄電池的方法，可直接看到和記錄整個(gè)過(guò)程。
該團隊證明，他們只需施加和釋放壓力，就可直接控制枝晶的生長(cháng)，使枝晶與力的方向完全一致。對固體電解質(zhì)施加機械應力并不能消除枝晶的形成，但它確實(shí)可以控制它們的生長(cháng)方向。這意味著(zhù)可以引導它們與兩個(gè)電極保持平行，并防止它們穿過(guò)另一側，從而變得無(wú)害。
另一種方法是在材料中“摻雜”嵌入原子，使其變形并處于永久的應力狀態(tài)。實(shí)驗表明，150到200兆帕斯卡的壓力足以阻止枝晶穿過(guò)電解液。
此前，人們認為類(lèi)似三明治的多層結構可防止枝晶結構生成。但新的實(shí)驗證明，在垂直于電池極板方向上擠壓材料實(shí)際上會(huì )加劇枝晶結構的形成。取而代之的應該是沿著(zhù)平面的壓力，就像是從三明治側面擠壓一樣。
