<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1668953810826/1668953810826.jpg" width="808" height="538" /></p> <p>麻省理工學(xué)院(MIT)研究人員的一項發(fā)現(xiàn)可能最終為設(shè)計一種新型可充電鋰電池打開了大門，這種電池比現(xiàn)有的版本更輕、更緊湊、更安全，世界各地的實驗室已經(jīng)研究了多年。</p> <p>&nbsp;</p> <p>電池技術(shù)這一潛在飛躍的關(guān)鍵在于，用更薄、更輕的固態(tài)陶瓷材料層取代位于正負(fù)電極之間的液體電解質(zhì)，并用固態(tài)金屬鋰取代其中一個電極。這將大大減少電池的整體尺寸和重量，并消除與易燃液體電解質(zhì)相關(guān)的安全風(fēng)險。但這一探索一直受到一個大問題的困擾:樹突。</p> <p>&nbsp;</p> <p>樹突(dendrite)這個名字來自拉丁語，意思是&ldquo;分支&rdquo;。樹突是金屬的突出物，可以在鋰表面積聚，并滲透到固體電解質(zhì)中，最終從一個電極穿過到另一個電極，導(dǎo)致電池短路。研究人員還無法就這些金屬絲的產(chǎn)生原因達(dá)成一致，也沒有在如何防止它們從而使輕量級固態(tài)電池成為實際選擇方面取得很大進(jìn)展。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項由麻省理工學(xué)院教授蔣yet - ming Chiang、研究生Cole Fincher以及麻省理工學(xué)院和布朗大學(xué)的其他五人共同發(fā)表在《焦?fàn)枴冯s志上的新研究似乎解決了導(dǎo)致樹突狀形成的原因這個問題。它還展示了如何防止樹突穿過電解質(zhì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>蔣說，在該小組早期的工作中，他們有了一個&ldquo;令人驚訝和意想不到的&rdquo;發(fā)現(xiàn)，即用于固態(tài)電池的堅硬的固體電解質(zhì)材料可以被鋰穿透，鋰是一種非常軟的金屬，在電池充放電過程中，鋰離子在電池兩側(cè)移動。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這種離子的來回穿梭導(dǎo)致電極的體積發(fā)生變化。這不可避免地在固體電解質(zhì)中造成壓力，它必須與夾在它中間的兩個電極完全接觸。蔣說:&ldquo;要沉積這種金屬，體積必須擴(kuò)大，因為你增加了新的質(zhì)量。&rdquo;&ldquo;因此，鋰沉積的電池一側(cè)的體積增加了。如果存在微小的缺陷，就會對這些缺陷產(chǎn)生壓力，從而導(dǎo)致開裂。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊現(xiàn)在證明，這些壓力導(dǎo)致了裂縫，使樹突得以形成。解決這個問題的方法是施加更多的壓力，在正確的方向上施加適量的力。</p> <p>&nbsp;</p> <p>此前，一些研究人員認(rèn)為樹突是由純電化學(xué)過程而不是機(jī)械過程形成的，但該團(tuán)隊的實驗證明，是機(jī)械壓力導(dǎo)致了問題。</p> <p>樹突的形成過程通常發(fā)生在電池不透明材料的深處，無法直接觀察到，因此Fincher開發(fā)了一種使用透明電解質(zhì)制造薄電池的方法，可以直接看到和記錄整個過程。他說:&ldquo;當(dāng)你對系統(tǒng)施加壓力時，你可以看到發(fā)生了什么，你可以看到樹突的行為是否與腐蝕過程或斷裂過程相適應(yīng)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊證明，他們可以直接通過施加和釋放壓力來操縱樹突的生長，使樹突與力的方向完美地對齊。</p> <p>&nbsp;</p> <p>對固體電解質(zhì)施加機(jī)械應(yīng)力并不能消除枝晶的形成，但它確實控制了枝晶的生長方向。這意味著它們可以被引導(dǎo)保持與兩個電極平行，并且永遠(yuǎn)不會越過另一邊，因此是無害的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在他們的測試中，研究人員使用了彎曲材料產(chǎn)生的壓力，材料被形成一個一端有重量的梁。但他們表示，在實踐中，可能有許多不同的方式來產(chǎn)生所需的壓力。例如，電解質(zhì)可以由具有不同熱膨脹量的兩層材料制成，因此材料有固有的彎曲，就像某些恒溫器所做的那樣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>另一種方法是將嵌入其中的原子&ldquo;涂覆&rdquo;材料，使其變形，使其永久處于應(yīng)力狀態(tài)。蔣解釋說，這和生產(chǎn)智能手機(jī)和平板電腦屏幕上的超硬玻璃的方法是一樣的。而且所需的壓力并不極端:實驗表明，150 - 200兆帕斯卡的壓力足以阻止枝晶穿過電解質(zhì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>所需的壓力&ldquo;與商業(yè)薄膜生長過程和許多其他制造過程中通常產(chǎn)生的壓力相稱&rdquo;，因此在實踐中應(yīng)該不難實現(xiàn)，芬奇補(bǔ)充道。</p> <p>事實上，另一種不同的壓力，稱為堆疊壓力，經(jīng)常被應(yīng)用在電池電池上，本質(zhì)上是通過向垂直于電池板的方向擠壓材料&mdash;&mdash;有點像通過在三明治上施加重量來壓縮它。人們認(rèn)為這可能有助于防止地層分離。但是現(xiàn)在的實驗已經(jīng)證明，這個方向的壓力實際上加劇了枝晶的形成。芬奇說:&ldquo;我們發(fā)現(xiàn)，這種堆疊壓力實際上加速了樹突誘導(dǎo)的破壞。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>相反，我們需要的是沿著盤子的平面施加壓力，就像三明治從兩側(cè)被擠壓一樣。&ldquo;我們在這項工作中展示的是，當(dāng)你施加一個壓縮力時，你可以迫使樹突沿著壓縮的方向移動，&rdquo;芬奇說，如果這個方向是沿著平板的平面，樹突&ldquo;永遠(yuǎn)不會到達(dá)另一邊。&rdquo;</p> <p>這最終可能使使用固體電解質(zhì)和金屬鋰電極生產(chǎn)電池成為現(xiàn)實。它們不僅能在給定的體積和重量中儲存更多的能量，而且還能消除對液體電解質(zhì)的需求，液體電解質(zhì)是一種易燃材料。</p> <p>&nbsp;</p> <p>蔣說，在演示了相關(guān)的基本原理之后，該團(tuán)隊的下一步將是嘗試將這些原理應(yīng)用到功能電池原型的創(chuàng)建中，然后明確需要什么樣的制造過程才能大量生產(chǎn)這樣的電池。他說，雖然他們已經(jīng)申請了專利，但研究人員并不打算將該系統(tǒng)商業(yè)化，因為已經(jīng)有公司在開發(fā)固態(tài)電池。他說:&ldquo;我想說的是，這是對固態(tài)電池失效模式的理解，我們認(rèn)為該行業(yè)需要意識到這一點，并試圖利用它來設(shè)計更好的產(chǎn)品。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>該研究團(tuán)隊包括布朗大學(xué)的克里斯托&middot;阿薩納蘇和布萊恩&middot;謝爾登，以及麻省理工學(xué)院的科林&middot;吉爾根巴赫、邁克爾&middot;王和w&middot;克雷格&middot;卡特。這項工作得到了美國國家科學(xué)基金會、美國國防部、美國國防高級研究計劃局和美國能源部的支持。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點。</p> </blockquote>