为新型固态电池设计提供思路，MIT分析可充电锂电池枝晶形成原因

一直以来，全球很多实验室的科学家都在电池领域不断地探索一种轻便的锂电池材料。

为此，他们尝试用更轻、更薄的固体陶瓷材料，来替代那些处于正极和负极之间的电解质。并且，还使用固体锂金属进行其中一个电池的替换。这样，不仅能使电池的整体尺寸更小，也能减轻其重量，并降低电解质易燃的安全风险。

但是，在固态锂电池领域，始终绕不开一个瓶颈问题，那就是被称为“枝晶”的金属丝短路现象。研究人员不难发现一种现象，枝晶在锂表面堆积并进一步地渗透的固体电解质，从而使其中一个电极穿过另一个最终导致电池短路。

实际上，对于枝晶形成的原因在科研界已争论 50 多年，之前并未达成统一的共识。因此，如何避免枝晶的产生，以生产轻型的固态电池是科学家们一直以来努力解决的问题之一。

（来源：MIT）

针对该问题，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员近期解析了枝晶形成的根本原因，并提出一种防止枝晶穿过电解质的解决方案。他们设计出一种新型的可充电锂电池，该电池比当下市场版本电池质量更轻、也更加安全，为新型固态电池设计提供新思路。

近日，相关论文以《用工程应力控制固态电池中枝晶的扩展》（Controlling dendrite propagation in solid state batteries with engineered stress）为题发表在 Joule 上[1]。

该论文第一作者为 MIT 材料科学与工程系博士生科尔·D·芬奇（Cole D. Fincher），论文通讯作者为蒋业明（Yet-Ming Chiang）教授。

图丨相关论文（来源：Joule）

蒋业明在接受媒体采访时表示，在课题组研究的早期阶段意外地发现，作为固态电池的硬质固体电解质材料，居然能在该过程能在锂离子在两侧之间移动。也就是说，其被锂穿透进行充电及放电。

实际上，正是由于锂离子的往复穿梭使电极的体积产生改变，它往往在固体电解质中形成应力。因此，固体电解质需要和两个电极进行持续性接触。

“为了沉积这种金属，就必须扩大体积，因为新的质量正在增加。因此，锂电池一侧的体积增加了。即便存在微小的缺陷，也会对这些缺陷产生压力，从而导致开裂。”蒋业明告诉媒体。

图丨观察金属枝晶对施加载荷的响应（来源：Joule）

该团队的实验证明，这些产生的压力将形成枝晶的裂缝。并且，他们通过在正确的方向施加适当的压力作为该难题的解决方案。

在该领域以往的研究中，研究人员对枝晶产生的原因看法不一致，其中有些科学家认为枝晶是在纯电化学过程中形成的。而在 MIT 团队的这项研究中，他们发现在固态锂电池中形成枝晶的根本原因是机械应力，显然这是“截然不同”的答案。

图丨通过操作显微镜成像研究在 30 微米厚的电解质中，传播的金属枝晶对施加载荷的响应（来源：Joule）

实际上，想弄清楚产生枝晶的原因，通过直接观察并不可行，因为枝晶形成的过程往往在电池材料的深处发生。为观察到枝晶产生的全过程，芬奇找到了一种新方案——利用透明电解质来制作薄电池。

他对媒体透露：“通过该系统可以看到当对系统施加压力时会发生什么，并可看到枝晶的行为是否与腐蚀过程或断裂过程相称。”

根据相关结果，通过一种简单的操作——施加和释放压力，便能对枝晶的生长进行直接控制，使枝晶与力的方向完美对齐。值得注意的是，虽然这样能操纵其生长方向，但这并不足以阻止枝晶的形成。

在该团队的实验中，研究人员尝试多种方式通过将材料弯曲的形式产生压力。举例来说，他们用两层不同膨胀量的材料来制备电解质，从而使材料产生天然的弯曲。

另一方面，他们还尝试通过原子“掺杂”材料，便于它变形以及保持永久受压的状态。蒋业明告诉媒体：“这与生产智能手机和平板电脑屏幕中，使用的超硬玻璃的方法相同。而且，其所需压力并不极端。实验表明，150 至 200 兆帕的压力足以阻止枝晶穿过电解质。”

不局限于基本科学原理的展示，该团队接下来还计划运用该原理到应用中，即研发功能性原型电池，并探索该电池量产的相关制造工艺。据悉，该技术已经申请相关专利，但他们考虑到已有公司专注这个系统的商业化，因此不打算由课题组进行技术的商业化发展。

“这是对固态电池故障模式的理解，我们认为业界需要了解并尝试将其用于设计更好的产品。”芬奇告诉媒体。

参考资料：

https://news.mit.edu/2022/controlling-dendrities-lithium-batteries-1118

1.Cole D. Fincher, Christos E. Athanasiou, Colin Gilgenbach, Michael Wang, Brian W. Sheldon, W. Craig Carter, and Yet-Ming Chiang，Controlling dendrite propagation in solid state batteries with engineered stress，Joule 6, 1–16 (2022). https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.10.011