作者：GeorgiaInstituteofTechnology

固態(tài)電池—一種使用全固態(tài)元件的新型電池設(shè)計—近年來受到了人們的關(guān)注，因為固態(tài)電池在保持更多能量的同時避免了液態(tài)電池的安全挑戰(zhàn)。

但是制造一個持久的固態(tài)電池說起來容易做起來難?，F(xiàn)在，佐治亞理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)使用X射線計算機(jī)斷層掃描（CT）來實時顯示電池中材料界面邊緣附近的裂紋是如何形成的。這一發(fā)現(xiàn)有助于研究人員找到改善儲能裝置的方法。

“固態(tài)電池可能比鋰離子電池更安全，并可能擁有更多的能量，這將是電動汽車甚至電動飛機(jī)的理想選擇，”佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授馬修·麥克道爾說。從技術(shù)上講，這是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，有很多公司對此感興趣。”

在典型的鋰離子電池中，鋰離子通過液體電解質(zhì)在兩個電極（陰極和陽極）之間傳遞時釋放能量。

這項研究發(fā)表在6月4日的《ACS能源快報》上，由國家科學(xué)基金會贊助，研究小組建立了一個固態(tài)電池，其中固體陶瓷盤被夾在兩片固體鋰之間。陶瓷盤取代了典型的液體電解質(zhì)。

麥克道爾說：“要想弄清楚如何使這些堅固的部件組合在一起，并在長時間內(nèi)表現(xiàn)良好，這是一個挑戰(zhàn)。我們正在研究如何設(shè)計這些固體部件之間的接口，以使它們盡可能長時間地使用?！?/p>

與佐治亞理工學(xué)院的助理教授、X射線成像專家克里斯托弗·薩爾達(dá)納合作，研究人員將電池置于X射線顯微鏡下，對其進(jìn)行充電和放電，尋找表明電池退化的物理變化。經(jīng)過幾天的緩慢過程，整個盤上形成了網(wǎng)狀裂紋。

這些裂紋是問題所在，并伴隨著鋰金屬和固體電解質(zhì)之間的界面層的生長而出現(xiàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種在循環(huán)過程中的斷裂導(dǎo)致了對離子流動的阻力。

麥克道爾說：“這些是發(fā)生在界面上的不必要的化學(xué)反應(yīng)?！比藗兺ǔＵJ(rèn)為這些化學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致細(xì)胞退化的原因。但是我們通過成像了解到，在這種特殊的材料中，不好的不是化學(xué)反應(yīng)本身——它們不會影響電池的性能。壞的是，細(xì)胞破裂，破壞了細(xì)胞的性能。”

解決壓裂問題可能是釋放固態(tài)電池潛能（包括其高能量密度）的第一步。研究人員指出，所觀察到的劣化可能會影響其他類型的固態(tài)電池，因此這一發(fā)現(xiàn)可能會引導(dǎo)設(shè)計更耐用的界面。

麥克道爾說：“在普通的鋰離子電池中，我們使用的材料決定了我們能儲存多少能量。純鋰的含量最高，但在液體電解質(zhì)中效果不佳。但是，如果你能將固體鋰與固體電解質(zhì)結(jié)合使用，這將是能量密度的圣杯。”