近年來(lái)，許多研究團(tuán)隊(duì)都在努力為鋰電池尋找性能更加優(yōu)異的固態(tài)電解質(zhì)和電極材料。本文要為大家介紹的，就是麻省理工團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一款原型固態(tài)電池。特點(diǎn)是借助新型自修復(fù)材料，克服了該領(lǐng)域的一些關(guān)鍵難點(diǎn)，為其賦予了穩(wěn)定的高容量存儲(chǔ)前景。

據(jù)悉，在當(dāng)今的鋰離子電池中，隨著充放電循環(huán)的持續(xù)，液態(tài)電解質(zhì)會(huì)在陰陽(yáng)兩極之間來(lái)回?cái)y帶鋰離子。

然而正如上圖所展示的那樣，位于固體電解質(zhì)的灰色圓盤上的金屬電極(帶有紋理的內(nèi)圈部分)，正在其表面上形成讓鋰電池研究人員頭疼不已的枝晶。

研究配圖 - 1：化學(xué)電池研究概況

隨著枝晶的生長(zhǎng)，電池的壽命和效能都會(huì)受到極大的影響，甚至有發(fā)生短路失效和起火的風(fēng)險(xiǎn)。

但若能夠?qū)㈦娊赓|(zhì)換成固體材料，不僅可以讓電池變得更加安全，還可達(dá)成更高的能量密度。

研究配圖 - 2：固體電解質(zhì)的表面光潔度和微觀結(jié)構(gòu)

此前的研究中，已有不少團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)電池能夠?qū)崿F(xiàn)兩倍于當(dāng)前鋰離子電池的能量密度。

現(xiàn)在，來(lái)自麻省理工學(xué)院、得克薩斯州農(nóng)工大學(xué)、布朗大學(xué)、以及卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)提出來(lái)一種相當(dāng)有希望的新解決方案。

研究配圖 - 3：固體電解質(zhì)的金屬滲透

據(jù)悉，研究人員開發(fā)出了一種由鈉-鉀合金制成的半固態(tài)金屬電極，并將之比作牙醫(yī)的補(bǔ)漏材料。在具有牢固特性的同時(shí)，這種新型材料還能夠流動(dòng)和成型。

在加入了適量的材料后，它能夠在與固態(tài)電解質(zhì)接觸時(shí)避免形成微小的裂紋(通常出現(xiàn)在純固態(tài)但較脆的電極材料中)和枝晶。

研究配圖 - 4：電極與電解質(zhì)表面發(fā)生了短路故障

剩下的事情，就是找到精心挑選的合金電極，以便引入可用作金屬電極自愈成分的液相材料。

隨著電池的循環(huán)使用，工作溫度可讓材料保持在正確的半固相狀態(tài)，以適應(yīng)高達(dá) 20 倍的電流、而不會(huì)形成枝晶。

研究配圖 - 5：?jiǎn)蜗喙虘B(tài)金屬和半固態(tài)合金的面積容量

當(dāng)前研究人員已經(jīng)提供了兩種避免枝晶形成的設(shè)計(jì)思路，其一是將固態(tài)電解質(zhì)與電極直接接觸、另一種則是將液態(tài)金屬合金夾在兩者中間。

有趣的是，研究人員還提出了第三種方案，通過(guò)將液態(tài)鈉-鉀合金薄膜集成到電池中、然后將其夾在固體電極和固體電解質(zhì)之間，竟然也有助于防止枝晶的形成。

研究配圖 - 6：新材料對(duì)化學(xué)電池和堿金屬屈服應(yīng)力的影響

研究合著者、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授 Venkatasubramanian Viswanathan 對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的未來(lái)前景表示相當(dāng)樂(lè)觀：

“我們認(rèn)為可將這套方案轉(zhuǎn)化并用于任何固態(tài)鋰離子電池，并且涵蓋從手持設(shè)備、EV 動(dòng)力電池、以及電動(dòng)航空等廣泛的領(lǐng)域”。

研究配圖 - 7：半固態(tài)堿金屬電極的成分設(shè)計(jì)

有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《自然能源》(Nature Energy)期刊上。