全固態鋰電池將電池的能量密度和安全性

大多數電池由兩個稱為電極的固體電化學活性層構成，并由被寫入液體或凝膠電解質的聚合物膜隔開。但鋰電世界近來的研討探討了全固態電池的也許性，其間液體（潛在易燃）電解質將被固體電解質替代，這能夠增強電池的能量密度和安全性。

如今，麻省理工學院的一個團隊首次探究了硫化物基固體電解質資料的機械功能，以斷定其結合到電池中時的機械功能。

新的研討結果發如今本周的“高檔能源資料”雜志上宣布，該論文由麻省理工學院的研討生Frank McGrogan和Tushar Swamy，資料科學與工程教授Krystyn Van Vliet，資料科學與工程教授陳明清，別的四位包含由麻省理工學院資料科學與工程基地及其資料加工基地辦理的國家科學基金會本科研討經歷（REU）的本科生。

鋰離子電池供給了一種輕量級的儲能解決方案，使許多當今的高科技設備可用，從智能手機到電動汽車。可是在這種電池中，用固體電解質替代慣例的液體電解質可具有明顯的長處。分量相其時，這種全固態鋰離子電池能夠在電池組等級供給乃至更大的能量存儲才能。它們還能夠基本上消除被稱為“樹突”的細小的，指狀的金屬突起帶來的危險，樹突能夠穿透電解質層成長并致使短路。

“全固態電池是功能和安全性的有吸引力挑選，但仍有一些應戰。”Van Vliet說。在當今商場占主導地位的鋰離子電池中，鋰離子在電池充電時經過液體電解質從一個電極抵達另一個電極，然后在運用時經過相反的方向流過。“這些電池對錯常有用的，但液體電解質具有化學不穩定性，乃至是易燃的。”Van Vliet說。“所以，假如電解質是固體會更安全，而且體積更小，分量更輕。”

可是運用這種全固體電池的大問題是當電極重復充電和放電時，電池內部的電解質資料也許發生什么樣的機械應力。這種循環使得電極跟著鋰離子進入和離開其晶體結構而膨脹和縮短。在剛性電解質中，這些尺度改變也許致使較高應力。假如電解質也是脆性的，尺度的穩定改變可致使裂紋，并迅速地下降電池功能，乃至也許發生利于損壞電池的樹突形成的通道，如在液體電解質電池中那樣。可是，假如資料抗開裂，那些應力能夠在資料迅速開裂前被吸納。

到目前為止，硫化物對正常實驗室空氣的極點敏感性對丈量其機械功能，包含開裂韌性提出了應戰。為了避免這個問題，研討人員在礦物油浴中進行機械測驗，維護樣品免受與空氣或水分的任何化學相互作用。運用該技能，他們能夠具體丈量硫化鋰的機械功能，硫化鋰被認為是全固態電池電解質最有期望的候選者。

“固體電解質有許多不相同的候選者，”McGrogan說。別的集體現已研討了鋰離子導電氧化物的機械功能，可是迄今為止對硫化物的研討很少，即便它們能夠迅速地傳導鋰離子而十分具有潛力。

此前，研討人員運用聲學丈量技能，使聲波經過資料以勘探其機械做法，可是該方法不能量化資料對開裂的抵抗力。本項新研討工作運用細尖探針進入資料并監測其呼應，丈量出了資料更重要的功能，包含硬度，開裂韌性和楊氏模量（衡量資料的拉伸才能在施加應力下可逆）。

“研討小組現已丈量了硫化物基固體電解質的彈性功能，但沒有丈量開裂功能，”Van Vliet說。開裂功能關于猜測資料在電池中用作電解質時是否也許破裂或破碎是至關重要的。

研討人員發現，該資料的綜合功能類似于橡皮泥或鹽水太妃糖的性質組合：當飽嘗應力時，它能夠容易地變形，可是在足夠高的應力下它能夠像脆性玻璃片相同裂開。

“經過具體了解這些特點，你能夠核算資料在開裂之前能接受多大的應力，而且在規劃電池體系時考慮到這些信息。”Van Vliet說。

事實證明，硫化物資料比電池運用的抱負資料更脆。“可是只要已知其性質，而且體系規劃恰當，該資料依然能夠具有用作固態電解質的潛力。”McGrogan說。“你有必要環繞這個常識進行規劃。”