[2017-06-27]走向全固态锂电池新时代

    MIT研究生Frank McGrogan和Tushar Suamy,材料科学与工程教授Krystyn Van Vliet、the Michael (1949)和Sonja Koerner，材料科学与工程瓷学系教授蒋业明，以及四位含本科生在内的研究小组，在一篇发布于本周先进材料杂志上发布了该研究成果。四名本科参与者来自于由MIT材料科学与工程研究中心及加工中心注册成立的国家科学基金组织本科研究经验项目组。

    锂离子电池已被证明是一种轻质量电能储备方式，并在现今的多类高科技设备中得以应用，从智能手机到电动汽车，都能看到它们的身影。然而用固态电解质替换这些电池中传统的液态电解质能有多项显著的优势。这种全固态锂离子电池在相同电池组的前提下，拥有更强大的电能储备能力。它也同时基本上彻底消除了被称为树枝晶的指尖大小缺陷物质沿电解质层生长导致短路的风险。

    “由固态成分组成的电池无论在性能还是安全性的层面而言都是非常吸引人的一种选择，然而我们还面临着一些挑战，”Van Vliet说。如今主导者市场的锂离子电池在充电过程中，通过液体电解质从一端电极游离至另一端，在放电过程中进行着相反的游离。这样的电池有着很高的效率，但“其液体电解质的化学性质并不是特别稳定，可以做到更安全、更小、更轻。”

    然而这种全固态电池在使用时面临的一大问题是，在电极进行多次放电时，电池内部产生不明出处的机械应力。这样的循环会随着锂离子出入于其晶状体结构而导致电池肿胀或收缩。在坚硬的电极中，尺寸的变化会导致压力增加。如果电解质过于脆弱，尺寸的持续变化会导致电解质破裂，并大幅影响电池的性能表现，甚至可能会形成轨道，促进树枝晶的形成，一如液体电解质中可能会发生的状况。然而如果电解质对开裂具有相当的抵抗力，这种压力会被一定程度上化解，而且不会发生迅速开裂的现象。然而至今为止，硫基物对实验室空气的高敏感度，对测量其包括其断裂韧性在内的机械性能带来了不小的挑战。为了规避这一问题，研究小组的成员们在矿物质油环境下进行了机械性能测试，矿物质油是用来防止硫基物与空气或空气中的水分产生反应的。通过该项技术，研究小组得以准确的测得硫基锂离子聚合物的机械性能，这也让其成为全固态锂离子电池电解质成分的有力竞争者。

    “固态电解质的候选材料有很多种，”McGrogan说，其他小组研究了氧化物与锂离子聚合物的机械性能，但针对硫基物质所做的研究并不多，即使硫基物能与锂离子简单快速的结合，前景看来十分光明。

    先前的研究者们用的声学测量技术，依据声波通过材料来探测材料的机械性能，但这种方式无法测得材料的断裂韧度。然而在这项新的研究中，研究人员们使用的尖头探针刺入材料表面再探测材料的反应的方式，得以获得关于材料更为完整的一系列参数，包括了硬度、断裂韧度、杨氏模量（一种测量材料在应用应力下可拉伸的能力的测量单位）。

    “研究者们已经测得了硫基固态电解质的抗拉强度，但还没测得其断裂韧度，”Van Vliet说。断裂韧度对于判断该种材料用于电池中是否会破裂或破碎是直观重要的因素。

    研究者们发现该物质的各项属性在一定程度上与弹性橡皮泥或盐水太妃糖是相似的：在收到压力时，材料很容易变形；但在承受巨大压力的情况下，材料会像块易碎的玻璃一样碎裂。

    获得了这些详细的参数性质后，“你就可以去测量材料在碎裂前能够承受多大的压力，”在知道相关的信息后来进一步设计新的电池系统，Van Vliet说。

    事实证明该种材料比理想中的固态电解质材料更易碎，但McGrogan表示，随着这方面参数的获取和为其量身定制的电池系统，它依然存在着潜在的使用价值，“你需要通过对其的了解进行量身定制。”

    “目前最先进的锂离子电池的循环寿命主要受其电解质的化学/电化学稳定性、以及电解质与电极间反应的方式所影响，”密歇根大学机械工程专业教授Jeff Sakamoto说，他并没有参与到此次的研究当中。“然而，在固态电池中，机械降解程度会对电池的耐久度和性能起到决定性的作用。因此，了解固态电池电解质的机械性能就显得尤为重要。”

    Sakamoto还说道：“相较于目前最先进的石墨负极，锂金属负极在容量方面呈现出出显著地增长。换句话说，在能量密度方面相比传统的锂离子电池技术，这种电极能让电池的能量密度获得近100%的增长。”

    该研究项目组还包括了MIT研究员Sean Bishop, Erica Eggleton, Lukas Porz和陈新伟。该项目由美国能源部办公室基础能源科学远离平衡态界面机械化学部门提供支持。