研究人员弄清楚如何让固态电池充电更快、使用寿命更长

一个国际研究团队设计了一种新的策略，使固态电池的使用寿命更长，充电速度更快。

在《自然材料》杂志上的一项研究中，研究人员解释说，就目前的技术而言，固态电池在反复使用后会产生枝晶，这种情况会使它们短路并变得无用。

根据科学家的说法，这种枝晶形成的根本原因是早期在其中一个电极中出现了微观空隙。

在他们的论文中，他们还表明，在电解质表面添加一层薄薄的某些金属会显着延迟枝晶的形成，延长电池的寿命并使其充电更快。

固态电池将锂离子设备中常见的液体电解质替换为固体陶瓷电解质，并将石墨与金属锂交换。陶瓷电解质在更高的温度下表现更好，这在热带国家尤其有用。锂也比石墨更轻，储存更多的电荷，这可以显着降低电池成本。

研究人员弄清楚如何让固态电池充电更快、使用寿命更长

示意图（a）表示具有不连续界面的锂金属固态电池。这些空隙和不连续性是枝晶通过固体电解质生长的主要驱动因素。这些空隙可以通过使用适当的中间层 (b) 来最小化。（印度科学研究所 Vikalp Raj 提供的图表）。
该研究的通讯作者 Naga Phani Aetukuri 在一份媒体声明中说：“不幸的是，当你添加锂时，它会形成这些细丝，这些细丝会长入固体电解质中，并使阳极和阴极短路。”

为了调查这种现象，Aetukuri 的博士。学生 Vikalp Raj 通过反复为数百个电池单元充电、切出锂-电解质界面的薄片并在扫描电子显微镜下观察它们，人工诱导了枝晶的形成。

当他们仔细观察这些部分时，研究小组意识到在枝晶形成之前很久就发生了一些事情——放电过程中锂阳极中出现了微小的空隙。

该团队还计算出，集中在这些微观空隙边缘的电流比电池单元的平均电流大约 10,000 倍，这可能会对固体电解质产生应力并加速枝晶的形成。

“这意味着现在我们制造非常好的电池的任务非常简单，”Aetukuri 说。“我们需要做的就是确保不会形成空隙。” 

为了确保这一点，研究人员在锂阳极和固体电解质之间引入了一层超薄难熔金属。

“难熔金属层保护固体电解质免受应力影响，并在一定程度上重新分配电流，”Aetukuri 说。

计算分析清楚地表明，难熔金属层确实延迟了微观锂空洞的生长。

施加可以将锂推向固体电解质的极端压力可以防止空隙并延迟枝晶的形成，但这对于日常应用可能并不实用。

其他研究人员也提出了在界面处使用铝等金属合金或与锂充分混合的想法。但随着时间的推移，这种金属层会与锂混合，变得难以区分，并且不会阻止枝晶的形成。

“我们所说的是不同的，”拉吉指出。“如果你使用钨或钼等不与锂合金化的金属，你从电池中获得的性能会更好。” 

研究人员表示，这些发现是实现实用和商业固态电池的关键一步。

在他们看来，这种策略也可以扩展到其他类型的含有钠、锌和镁等金属的电池。