為了突破電池設計界限，在既定空間或重量中容納越來越多的電力和能量，研究人員正在探討一項更有前途的技術，在鋰離子電池的兩個電極之間采用固態電解質材料，而不是電解液。
（圖片來源：MIT）
然而，這類電池一直存在一個問題，即其中一個電極上會形成金屬枝晶，最終連接電解質，使電池短路。據外媒報道，麻省理工學院（MIT）等院校的研究人員現已找到一種防止枝晶形成的方法，有望提升這種新型高功率電池的潛力。
麻省理工學院參與此項研究的人員包括研究生Richard Park、教授Yet-Ming Chiang和 Craig Carter等人，其余研究人員分別來自德克薩斯農工大學(Texas A&M University)、布朗大學(Brown University)和卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)。
固態電池兼具安全性和能量密度，因此這一技術備受關注。但研究人員Yet-Ming Chiang表示：“唯一能實現能量密度的方法是使用金屬電極。”將金屬電極與液體電解質耦合，可以獲得良好的能量密度，但比起固態電解質，無法獲得相同的安全優勢。固態電池只有使用金屬電極才有意義，但這類電池的開發受到枝晶生長的阻礙，枝晶體最終會填充兩個電極板之間的縫隙，導致電池短路。眾所周知，在快速充電的情況下，通常電流越大，枝晶形成得越快。目前，實驗固態電池所能達到的電流密度，遠低于商用可充電電池的需求。但研究人員認為，其發展前景良好，因為這種實驗版電池可以存儲的能量幾乎是傳統鋰離子電池的兩倍。
該團隊采取在固態和液態之間折衷的方法來解決枝晶問題。研究人員制作半固態電極，與固態電解質材料相接觸。半固態電極可以在界面上提供一種自我修復表面，而不是固態脆性表面，后者可能導致微小的裂縫，為枝晶形成埋下伏筆。
這一靈感來自實驗性的高溫電池，其中一或兩個電極由熔融金屬構成。據介紹，這種熔融金屬電池能達到數百攝氏度的溫度，無法用于便攜式設備。但通過這項工作確實可以看出，液體界面可以實現高電流密度，而不會形成枝晶。研究人員Richard Park表示：“出發點是開發基于精心挑選的合金的電極，以便引入一種可以作為金屬電極的自我修復組件的液相。”
與其說這種材料是液體，不如說它是固體，但類似于牙醫用來填充齲洞的汞合金固體金屬，仍然能夠流動和成形。在這種情況下，它由鈉和鉀的混合物制成，在正常的電池工作溫度下，處于一種既有固相又有液相的狀態。研究小組證明，在不形成任何枝晶的情況下，該系統的運行電流可能比使用固態鋰大20倍。下一步將用實際的含鋰電極來復制這種性能。
在第二個版本的固態電池中，研究小組在固態鋰電極和固態電解質之間引入一層非常薄的液態鈉鉀合金。結果表明，該方法也能克服枝晶問題，為進一步研究提供了另一種途徑。
研究人員表示，這種新方法適用于很多不同版本的固態鋰電池。該團隊下一步將展示該系統對各種電池架構的適用性。
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