隨著研究人員不斷突破電池設(shè)計的界限，尋求在給定的空間或重量中裝入更多的功率和能量，正在研究的比較有前途的技術(shù)之一是鋰離子電池，它在兩個電極之間使用固體電解質(zhì)材料，而不是典型的液體。

但這種電池一直受到一種趨勢的困擾，即在其中一個電極上形成樹枝狀的金屬突起，最終連接電解質(zhì)，使電池短路。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員已經(jīng)找到了一種阻止這種樹突形成的方法，這可能會釋放這種新型高能電池的潛力。

這項研究結(jié)果發(fā)表在《自然能源》雜志上，由麻省理工學(xué)院研究生理查德·帕克、蔣慧明教授和克雷格·卡特教授，以及麻省理工學(xué)院、德克薩斯農(nóng)工大學(xué)、布朗大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的其他七人共同完成。

蔣解釋說，固態(tài)電池是一項長期尋求的技術(shù)，有兩個原因:安全性和能量密度。但是，他說，“要達到這種有趣的能量密度，唯一的方法是使用金屬電極。”他說，雖然可以將金屬電極與液體電解質(zhì)結(jié)合，仍然可以獲得良好的能量密度，但這不能提供與固體電解質(zhì)相同的安全優(yōu)勢。

他說，固態(tài)電池只有在金屬電極上才有意義，但開發(fā)這種電池的嘗試一直受到樹突生長的阻礙，樹突最終會連接兩個電極板之間的間隙，導(dǎo)致電路短路，削弱或使電池中的細胞失去活性。

我們已經(jīng)知道，當電流較高時，樹突形成得更快，這通常是為了快速充電所需要的。到目前為止，在實驗固態(tài)電池中所獲得的電流密度遠遠低于實際商業(yè)可充電電池所需要的電流密度。但蔣說，這個前景值得追求，因為這種電池的實驗版本可以存儲的能量已經(jīng)是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍。

該團隊通過在固態(tài)和液態(tài)之間做出妥協(xié)，解決了樹突的問題。他們制作了一個半固態(tài)電極，與固態(tài)電解質(zhì)材料接觸。半固態(tài)電極在界面上提供了一種自愈合的表面，而不是固體的脆性表面，后者可能導(dǎo)致微小的裂紋，為樹晶形成提供最初的種子。

這個想法是受到實驗性高溫電池的啟發(fā)，這種電池的一個或兩個電極都由熔化的金屬組成。根據(jù)該論文的第一作者Park的說法，幾百度的熔融金屬電池不可能用于便攜式設(shè)備，但這項工作確實證明了液體界面可以實現(xiàn)高電流密度，而不會形成枝晶。Park說:“我們的動機是開發(fā)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自愈元件的液相。”

他解釋說，這種材料的固體性比液體性強，但與牙醫(yī)用來填充齲齒的汞齊合金相似，但仍然可以流動并形成形狀。在電池正常工作的溫度下，“它會處于一種同時存在固相和液相的狀態(tài)，”在這種情況下，固相是由鈉和鉀的混合物組成的。蔣說，研究小組證明，在20倍于使用固體鋰的電流下運行該系統(tǒng)是可能的，而不會形成任何樹突。下一步是用一個實際的含鋰電極來復(fù)制這種性能。

在第二個版本的固態(tài)電池中，該團隊在固態(tài)鋰電極和固態(tài)電解質(zhì)之間引入了一層非常薄的液態(tài)鈉鉀合金。他們表明，這種方法也可以克服樹突問題，為進一步研究提供了另一種方法。

蔣說，這種新方法可以很容易地應(yīng)用到許多不同版本的固態(tài)鋰電池上，目前世界各地的研究人員正在研究這種電池。他說，該團隊的下一步將是展示該系統(tǒng)在各種電池架構(gòu)中的適用性。合著者維斯瓦納坦是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機械工程教授，他說:“我們認為我們可以將這種方法轉(zhuǎn)化為任何固態(tài)鋰離子電池。我們認為它可以立即應(yīng)用于電池開發(fā)，廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備、電動汽車和電動等領(lǐng)域。”