斯坦福大学发现锂金属电池短路的秘密

采用固态电解质的新型锂金属电池重量轻、易燃、能量大、充电速度快，但由于总是莫名其妙的发生短路和故障，开发进展缓慢。据外媒报道，斯坦福大学（Stanford University）和美国能源部的SLAC国家加速器实验室的研究人员表示解开了这种电池经常短路的谜团，即压力，更准确地说是机械压力，尤其是在强力充电期间。

图片来源：斯坦福大学

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斯坦福大学可持续发展学院Doerr School of Sustainability材料科学与工程副教授William Chueh解释说：“电池的适度压痕、弯曲或扭曲会导致材料中的纳米级裂缝打开，因此锂会侵入固体电解质，导致短路。”

在1月30日发表在期刊《Nature Energy》的一项研究中，共同主要作者Geoff McConohy、Xin Xu和Teng Cui在实验中解释了纳米级缺陷和机械应力对固体电解质失效的影响。正如斯坦福研究团队一样，全球的科学家都在试图开发新型固体电解质，以设计出更好的可充电电池。能量密集、快速充电、不易燃、使用寿命长的锂金属电池可以克服电动汽车广泛使用的主要障碍，且具有更多优势。

统计学意义

当今许多先进的固体电解质采用的都是陶瓷。陶瓷能够快速传输锂离子，并在物理上将储存能量的两个电极分开。最重要的是，陶瓷防火。但就像家用陶瓷一样，其表面会出现微小的裂缝。

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研究人员通过60多项实验证明，陶瓷通常充满纳米级裂缝、凹痕和裂缝，许多宽度小于20纳米（一张纸大约有100,000纳米厚）。Chueh及其团队称，在快速充电过程中，这些固有的裂缝会打开让锂侵入。

在每个实验中，研究人员将电探针应用于固体电解质，制造出微型电池，并使用电子显微镜实时观察快速充电。随后，他们使用离子束作为手术刀来了解为什么锂会根据需要聚集在陶瓷表面的某些位置，而在其他位置，锂开始挖洞，越来越深，直到锂桥接穿过固体电解质，造成短路。

这一区别在于压力。当电探针仅接触电解质表面时，即使电池充电不到一分钟，锂也会聚集在电解质顶部。然而，当探针压入陶瓷电解质时，模仿压痕、弯曲和扭曲的机械应力，电池短路的可能性更大。

理论付诸实践

真正的固态电池由一层又一层堆叠的阴极-电解质-阳极片构成。电解质的作用是将阴极与阳极物理分离，但允许锂离子在两者之间自由移动。如果阴极和阳极接触或以任何方式电连接，例如通过金属锂隧道，就会发生短路。

正如Chueh及其团队展示的那样，即使是细微的弯曲、轻微的扭曲或电解质和锂阳极之间的灰尘斑点，也会导致难以察觉的裂缝。

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McConohy表示：“如果有机会钻入电解质，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。”

研究人员表示新的想法已经过反复证明。他们使用扫描电子显微镜视频记录了该过程，但同样的显微镜无法看到未经测试的纯电解质中新生的裂缝。

Xu解释说，这有点像在完美的路面上出现坑洞。在雨雪中，汽车轮胎将水压入路面上预先存在的微小裂缝，而这些裂缝随着时间不断扩大。

Xu表示：“锂实际上是一种柔软的材料，但是，就像坑洞中的水一样，它所需要的只是扩大裂缝并导致电池失效的压力。”

有了新的理解，Chueh及其团队开始寻找在制造过程中有意使用这些完全相同的机械力来强化材料的方法，就像铁匠在生产过程中对刀片进行退火一样。他们还试图寻找更多方法，以在电解质表面涂上涂层，从而可以防止出现裂纹或在裂纹出现时进行修复。