全固态锂电池将电池的能量密度和安全性

大多数电池由两个称为电极的固体电化学活性层构成，并由被写入液体或凝胶电解质的聚合物膜隔开。但锂电世界近来的研讨探讨了全固态电池的也许性，其间液体（潜在易燃）电解质将被固体电解质替代，这能够增强电池的能量密度和安全性。

如今，麻省理工学院的一个团队首次探究了硫化物基固体电解质资料的机械功能，以断定其结合到电池中时的机械功能。

新的研讨结果发如今本周的“高档能源资料”杂志上宣布，该论文由麻省理工学院的研讨生Frank McGrogan和Tushar Swamy，资料科学与工程教授Krystyn Van Vliet，资料科学与工程教授陈明清，别的四位包含由麻省理工学院资料科学与工程基地及其资料加工基地办理的国家科学基金会本科研讨经历（REU）的本科生。

锂离子电池供给了一种轻量级的储能解决方案，使许多当今的高科技设备可用，从智能手机到电动汽车。可是在这种电池中，用固体电解质替代惯例的液体电解质可具有明显的长处。分量相其时，这种全固态锂离子电池能够在电池组等级供给乃至更大的能量存储才能。它们还能够基本上消除被称为“树突”的细小的，指状的金属突起带来的危险，树突能够穿透电解质层成长并致使短路。

“全固态电池是功能和安全性的有吸引力挑选，但仍有一些应战。”Van Vliet说。在当今商场占主导地位的锂离子电池中，锂离子在电池充电时经过液体电解质从一个电极抵达另一个电极，然后在运用时经过相反的方向流过。“这些电池对错常有用的，但液体电解质具有化学不稳定性，乃至是易燃的。”Van Vliet说。“所以，假如电解质是固体会更安全，而且体积更小，分量更轻。”

可是运用这种全固体电池的大问题是当电极重复充电和放电时，电池内部的电解质资料也许发生什么样的机械应力。这种循环使得电极跟着锂离子进入和离开其晶体结构而膨胀和缩短。在刚性电解质中，这些尺度改变也许致使较高应力。假如电解质也是脆性的，尺度的稳定改变可致使裂纹，并迅速地下降电池功能，乃至也许发生利于损坏电池的树突形成的通道，如在液体电解质电池中那样。可是，假如资料抗开裂，那些应力能够在资料迅速开裂前被吸纳。

到目前为止，硫化物对正常实验室空气的极点敏感性对丈量其机械功能，包含开裂韧性提出了应战。为了避免这个问题，研讨人员在矿物油浴中进行机械测验，维护样品免受与空气或水分的任何化学相互作用。运用该技能，他们能够具体丈量硫化锂的机械功能，硫化锂被认为是全固态电池电解质最有期望的候选者。

“固体电解质有许多不相同的候选者，”McGrogan说。别的集体现已研讨了锂离子导电氧化物的机械功能，可是迄今为止对硫化物的研讨很少，即便它们能够迅速地传导锂离子而十分具有潜力。

此前，研讨人员运用声学丈量技能，使声波经过资料以勘探其机械做法，可是该方法不能量化资料对开裂的抵抗力。本项新研讨工作运用细尖探针进入资料并监测其呼应，丈量出了资料更重要的功能，包含硬度，开裂韧性和杨氏模量（衡量资料的拉伸才能在施加应力下可逆）。

“研讨小组现已丈量了硫化物基固体电解质的弹性功能，但没有丈量开裂功能，”Van Vliet说。开裂功能关于猜测资料在电池中用作电解质时是否也许破裂或破碎是至关重要的。

研讨人员发现，该资料的综合功能类似于橡皮泥或盐水太妃糖的性质组合：当饱尝应力时，它能够容易地变形，可是在足够高的应力下它能够像脆性玻璃片相同裂开。

“经过具体了解这些特点，你能够核算资料在开裂之前能接受多大的应力，而且在规划电池体系时考虑到这些信息。”Van Vliet说。

事实证明，硫化物资料比电池运用的抱负资料更脆。“可是只要已知其性质，而且体系规划恰当，该资料依然能够具有用作固态电解质的潜力。”McGrogan说。“你有必要环绕这个常识进行规划。”