可充电锂电池枝晶难题破解，为新型固态电池设计开启大门

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科技日报实习记者 张佳欣

据最新一期《焦耳》杂志，美国麻省理工学院研究人员解释了可充电锂电池“枝晶”的形成原因以及如何防止其穿过电解液的方法。这一发现最终可能开启一种新型可充电锂电池的设计之门，这种电池比目前的版本更轻、更紧凑、更安全。

到目前为止，可充电锂金属电池的商业用途还很有限，其中一个原因是枝晶。枝晶可在锂表面堆积，渗透到固体电解液中，最终从一个电极交叉到另一个电极，使电池短路。

麻省理工学院的早期研究发现，锂离子固体电解质材料在电池充放电过程中来回穿梭，会导致电极的体积发生变化。这不可避免地在固体电解液中产生应力，它必须与夹在中间的两个电极保持完全接触。“为了沉积这种金属，就必须扩大体积，因为新的质量正在增加。因此，锂电池一侧的体积增加了。如果有哪怕是微小的缺陷存在，就将对这些缺陷产生压力，从而导致开裂。”

研究团队现在发现，这些压力会导致裂缝，从而形成枝晶。事实证明，解决问题的办法是以正确的方向和适当的力量施加压力。

之前，一些研究人员认为枝晶是由纯电化学过程而非是机械过程形成的，但该团队的实验表明，导致问题的是机械应力。

电池枝晶的形成过程通常发生在不透明材料的深处，无法直接观察到，因此研究人员开发了一种使用透明电解液制造薄电池的方法，可直接看到和记录整个过程。

该团队证明，他们只需施加和释放压力，就可直接控制枝晶的生长，使枝晶与力的方向完全一致。对固体电解质施加机械应力并不能消除枝晶的形成，但它确实可以控制它们的生长方向。这意味着可以引导它们与两个电极保持平行，并防止它们穿过另一侧，从而变得无害。

另一种方法是在材料中“掺杂”嵌入原子，使其变形并处于永久的应力状态。实验表明，150到200兆帕斯卡的压力足以阻止枝晶穿过电解液。

此前，人们认为类似三明治的多层结构可防止枝晶结构生成。但新的实验证明，在垂直于电池极板方向上挤压材料实际上会加剧枝晶结构的形成。取而代之的应该是沿着平面的压力，就像是从三明治侧面挤压一样。

关键词： 可充电锂电池