近日，一項美國麻省理工的研究為固態鋰電池的進一步突破性發展提供了線索。

在11月18日的《焦耳》雜志中，由美國麻省理工大學華裔科學家，蔣業明教授領導的團隊成功解釋了可充電鋰電池內鋰枝晶的形成原因，以及如何防止其穿過電解液的方法，解決了固態鋰電池發展中的難題，為設計出更輕、更緊湊、更安全的電池的邁出了重要一步。

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《焦耳》是Nature子刊級別雜志，能源領域的頂級刊物。

研究指出，目前來看，可充電鋰金屬電池的商業用途還很有限，其中一個重要的原因就是鋰枝晶（樹突）。鋰枝晶是一種細長的觸須狀金屬細絲，在電池多次充放電循環后于鋰陽極上形成的微小的樹狀缺陷，如果樹突與陰極接觸，就會導致電池短路。

科學家們一直以來都致力于用鋰金屬陽極取代現有電池中使用的石墨陽極，鋰金屬陽極的理論容量是傳統石墨陽極的10倍，但是，因為樹突的存在也會大大縮短電池的使用壽命。 因此，媒體稱，麻省理工大學此次在鋰枝晶研究上的突破，是固態鋰電池發展之路上的重要里程碑。

鋰枝晶是因機械應力形成

在之前的研究中，一些研究人員認為，鋰枝晶是在純電化學過程而非是機械過程形成的，但麻省理工大學團隊在研究中發現，導致問題的是機械應力。

電池枝晶的形成過程通常發生在不透明材料的深處，無法直接觀察到，因此研究人員開發了一種使用透明電解液制造薄電池的方法，可直接看到和記錄整個過程。

蔣業明教授說，在小組早期的研究中，他們有了一個“意想不到的”的發現：在電池充放電的過程中，用于固態電池的電解質材料可以被鋰穿透，同時他們還發現鋰離子會在電池兩側來回移動，這種來回穿梭導致了電極的體積發生了變化。

蔣教授稱，這種體積上的變化使固體電解質中產生了機械應力，他說：

因為固體電解質必須與兩個電極保持完全接觸，因此產生了機械應力。

因此鋰的沉積，使電池一側的體積增加了。如果存在微小的缺陷，在電池使用的過程中，就會對這些導致開裂的微小缺陷造成壓力，產生鋰枝晶。

運用機械應力就可以控制鋰枝晶方向

因此，在發現機械應力是產生鋰枝晶的原因后，蔣教授團隊就開始著手研究，怎么利用機械應力控制鋰枝晶。

從此前的研究報告來看，幾十年來，研究人員一直認為堅硬的固體電解質，如陶瓷制成的電解質最能防止樹突穿透電池，也有很多人認為，需要從一開始就阻止樹突的“形成”或“成核”，否則就會像在汽車擋風玻璃上擴散的小裂縫一樣。

而蔣業明發現，只需施加和釋放壓力，就可直接控制鋰枝晶的生長，使鋰枝晶與力的方向完全一致，并不需要消除鋰枝晶：對機械應力的運用可以引導它們與兩個電極保持平行，并防止它們穿過另一側，從而不會引起短路等現象。蔣教授說：

我們通過使用機械壓力來彎曲材料，以此來證明我們是可以控制鋰枝晶的生長方向的。

同時，MIT團隊還設計出在商用電池中實現的幾種方法。該裝置可以結合具有不同熱膨脹性能的材料來運用機械應力，或是在材料中“摻雜”嵌入原子，使其變形并處于永久的應力狀態。

而且更重要的是，實驗表明，大約在150到200兆帕斯卡的壓力足以阻止鋰枝晶穿過電解液，目前該方案是完全可以實現的。

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關鍵詞： 機械應力 固體電解質 研究人員