上圖（a）表示具有不連續界面的鋰金屬固態電池。這些空隙與不連續是通過固態電解質生長枝晶的主要驅動因素，這會使器件短路?？赏ㄟ^某些金屬組成適當的夾層來最小化這些空隙。
在電解質中添加某些金屬可以制造出比現在更耐用的電池，使用壽命更長，充電速度更快。
研究人員表示，他們發現了固態鋰電池失效的一個關鍵原因，通過這個原因研發制定了一種更持久電池的戰略計劃，這種電池比目前的電池具有更快充電速度。
印度科學研究所（IISc）的研究團隊對固態電池內的枝晶進行了查驗，他們認為這是目前在大多數設備中使用的鋰離子電池的可行替代品。
研究人員意識到，在其中一個電極上早期出現的微小空隙可能是形成枝晶的關鍵原因，這些細小的枝晶穿刺電極與電解質之間的屏障。枝晶可引起電池短路，導致電池出現故障，這就是為什么科學家多年來一直要找出問題的根本原因。
IISc研究所的固態與化學結構（SSCU）助教兼項目負責人Naga Phani Aetukuri解釋道：“這意味著現在我們制造優質電池的任務是非常簡單的。我們所需要的是確保電池內部沒有空隙形成。”
然而，說起來容易，做起來難。IISc研究團隊通過他們的發現研發了一項技術，在電解質表面添加一層薄薄的金屬，他們表示該技術可以明顯減少空隙的形成。據研究人員匯報，該解決方案還可以延長研發的固態電池的壽命，以及能夠更快充電。
觀察電池內部
在目前的鋰離子電池設計中，固態電池將液體電解液換成了固體陶瓷電解質，同時也將用于陽極的石墨換成了金屬鋰。
在更高的溫度下，陶瓷電解質往往比其他材料電解質表現得更好，這在進行這項研究的國家尤其有用。鋰要比石墨更輕，可以儲存更多的電荷，這可以顯著降低電池成本。
Aetukuri表示，不幸的是，與液體電解液一樣，固態電池也面臨著枝晶生長到固體電解質中，導致正極和負極短路的問題。
調查研究為什么會發生此類情況，Aetukuri的博士研究生Vikalp Raj通過反復給數百塊電池充電，分割鋰電解質界面內的薄片，在掃描電子顯微鏡下對其進行檢查，人工誘導了枝晶的形成。
研究人員說，這就是該團隊如何了解到，在放電過程中，鋰陽極中形成的邊緣有電流的微觀空洞比電池平均電流大約1萬倍。他們說，這對固體電解質造成了壓力，并加速了枝晶的生長。
解決方案
Aetukuri表示，為了解決這個問題，研究人員在鋰陽極和固體電解質之間放置了一層超薄的難熔金屬，作為屏蔽層，以保護固體電解質免受壓力，并重新分配電流。難熔金屬是耐熱和耐磨的金屬。
對于項目這一方面，來自印度的團隊與卡內基梅隆大學的研究人員合作，后者進行了計算分析。研究人員說，這向研究團隊證明，難熔金屬層確實延緩了微觀鋰空洞的生長。
該團隊將工作論文發表在《Nature Materials》雜志上。研究人員表示他們的工作是研發固態電池的關鍵一步，這種電池可以在商業上與液體電解液的鋰離子電池競爭。而且，他們的工作還可以擴展到其他種類的電池，例如鈉、鋅、鎂等金屬。
中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯
2022.7.15