斯坦福大学的技术突破为下一代快速充电的锂金属电池创造了可能

　　带有固体电解质的新型锂金属电池重量轻，易燃，可储存大量能量，而且可以很快充电，但由于会发生不可预料的短路和故障，它们一直发展缓慢。现在，斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的研究人员说他们已经解开了这个谜团，它被归结为应力--更准确地说，是机械应力--特别是在电流较大的的充电过程中。
　　高级作者William Chueh解释说，只要电池有轻微的压痕、弯曲或扭曲，就会导致材料中的纳米级裂缝打开，锂就会侵入固体电解质中，导致其短路。即使是制造过程中引入的灰尘或其他杂质也能产生足够的压力导致故障，他与机械工程系助理教授Wendy Gu一起指导了这项研究。
　　艺术家渲染图显示，一个探针因施加压力而弯曲，导致其中充满了锂的固体电解质断裂。在右边，探针没有压在电解质上，锂板在陶瓷表面。资料来源：Cube3D
　　固体电解质失效的问题并不新鲜，许多人都研究过这种现象。关于到底是什么原因的理论众说纷纭。有些人说是电子的意外流动造成的，而其他人则指出是化学反应造成的。然而，还有人理论上认为是不同的力量在起作用。
　　在今天（1月30日）发表在《自然-能源》杂志上的一项研究中，共同牵头人Geoff McConohy、Xin Xu和Teng Cui通过严格的、具有统计学意义的实验解释了纳米级缺陷和机械应力如何导致固体电解质失效。世界各地试图开发新的固体电解质可充电电池的科学家们可以围绕这个问题进行设计，甚至将这一发现转化为他们的优势，正如这个斯坦福大学团队的大部分人现在正在研究的那样。能量密集、快速充电、不易燃的锂金属电池能够持续很长时间，可以克服广泛使用电动汽车的主要障碍，还有许多其他好处。
　　今天许多领先的固体电解质是陶瓷的。它们能够实现锂离子的快速传输，并将储存能量的两个电极物理分离。最重要的是，它们是防火的。但是，就像我们家里的陶瓷一样，它们的表面会出现微小的裂缝。
　　研究人员通过60多个实验证明，陶瓷经常被注入纳米级的裂缝、凹痕和裂纹，许多裂纹的宽度不到20纳米。(Chueh和他的团队说，在快速充电期间，这些固有的裂缝会打开，允许锂侵入。
　　一段扫描电子显微镜视频，显示了在固体电解质上发生的镀锂过程
　　在每个实验中，研究人员将一个电探针施加到固体电解质上，形成一个微型电池，并使用电子显微镜实时观察快速充电。随后，他们用离子束作为＂手术刀＂，了解为什么锂在某些地方如愿以偿地聚集在陶瓷表面，而在其他地方则开始钻入，越钻越深，直到锂在固体电解质上搭桥，形成短路。
　　差异在于压力。当电探针仅仅接触到电解质的表面时，即使电池在不到一分钟内被充电，锂也会聚集在电解质上面。然而，当探针压入陶瓷电解质，模仿压痕、弯曲和扭曲的机械应力时，电池短路的可能性更大。
　　现实世界中的固态电池是由一层又一层的阴极-电解质-阳极片叠加而成。电解液的作用是将阴极和阳极物理隔离，但允许锂离子在两者之间自由移动。如果阴极和阳极以任何方式接触或电性连接，如通过金属锂的隧道，就会发生短路。
　　正如Chueh和团队所展示的那样，即使是细微的弯曲、轻微的扭曲，或夹在电解质和锂阳极之间的灰尘斑点，都会造成难以察觉的缝隙。
　　McConohy说：＂如果有机会钻进电解质，锂最终会蜿蜒穿过，连接阴极和阳极。当这种情况发生时，电池就会失效。＂
　　Xin Xu、Teng Cui和Geoff McConohy - 这项新研究的共同主要作者坐在用于这项研究的聚焦离子束/扫描电子显微镜前
　　他们使用扫描电子显微镜记录了这一过程的视频--正是这些显微镜无法看到未经测试的纯电解质中的新生裂缝。这有点像原本完美的路面上出现坑洞的方式。通过雨和雪，汽车轮胎将水打入路面上预先存在的微小缺陷中，产生不断扩大的裂缝，并随着时间的推移而增长。锂实际上是一种软材料，但是，就像坑洞中的水一样，它所需要的只是压力来扩大差距并导致故障。
　　有了他们的新认识，Chueh的团队正在研究如何在制造过程中有意使用这些相同的机械力来强化材料，就像铁匠在生产过程中对刀片进行退火。他们还在研究如何在电解质表面涂上一层涂层，以防止出现裂缝或在出现裂缝时对其进行修复。