麻省理工学院的研究人员表示，用更薄、更轻的固态陶瓷材料层取代可充电锂电池中的液态电解质，可能会给该技术带来革命性变化。
除了大幅减小电池的体积和重量外，这种做法还将消除液态电解质带来的安全隐患，因为液态电解质是易燃的。
该团队的研究工作似乎还揭示了如何解决枝晶问题。枝晶是锂表面可能形成的金属小突起，会导致电池无法工作。
他们的下一步是尝试制造一块可正常工作的电池原型。
麻省理工学院研究人员的一项发现，或许终于为一种新型可充电锂电池的设计打开了大门。这种电池比现有版本更轻、更紧凑、更安全，多年来一直是全球各实验室的研究目标。
此次电池技术有望实现重大飞跃的关键，在于用更薄、更轻的固态陶瓷材料层取代位于正极与负极之间的液态电解质，并用固态锂金属取代其中一个电极。这将大幅减小电池的整体体积和重量，并消除液态电解质（易燃物质）带来的安全风险。然而，这一探索长期受制于一个重大难题：枝晶。
“枝晶”一词源自拉丁语，意为“树枝”，指的是可能在锂表面积聚并渗入固态电解质的金属突起，最终会从一个电极延伸至另一个电极，导致电池单元短路。研究人员至今未能就这些金属丝状物的成因达成共识，在如何预防它们、从而使轻质固态电池成为切实可行的选择方面，也鲜有进展。
这项新研究今日发表在期刊《Joule》上。论文由麻省理工学院教授蒋祎明（Yet-Ming Chiang）、研究生科尔·芬彻（Cole Fincher）以及麻省理工学院和布朗大学的另外五位研究人员共同完成，似乎解决了枝晶形成原因的问题，同时还展示了如何防止枝晶穿过电解质。
蒋祎明表示，在该团队此前的研究中，他们有一项“令人惊讶且出乎意料”的发现：在电池充放电过程中，锂离子在电池两侧来回移动，而用于固态电池的坚硬固态电解质材料竟能被锂穿透，而锂是一种非常柔软的金属。
离子的这种往复穿梭会导致电极体积发生变化。这不可避免地会在固态电解质中产生应力，而固态电解质必须与夹在其间的两个电极始终保持完全接触。“沉积这种金属时，体积必然会膨胀，因为你在增加新的质量，”蒋祎明说。“因此，在沉积锂的那一侧，电池体积会增大。如果存在哪怕是微观的缺陷，这种体积增大就会在这些缺陷处产生压力，从而导致开裂。”
研究团队现已证明，正是这些应力导致了允许枝晶形成的裂纹。解决这一问题的办法，恰恰是施加更大的应力，并且使应力方向恰到好处、力度也恰如其分。
过去，一些研究人员认为枝晶是通过纯粹的电化学过程而非机械过程形成的，而该团队的实验表明，正是机械应力导致了这一问题。
枝晶的形成过程通常发生在电池单元不透明材料的深处，无法被直接观察，因此芬彻开发了一种使用透明电解质制作薄型电池单元的方法，使整个过程能够被直接观察和记录。“当你对系统施加压力时，可以看到会发生什么，还可以看到枝晶的行为是否符合腐蚀过程或断裂过程，”他说。
该团队证明，他们只需施加和释放压力，就能直接控制枝晶的生长，使枝晶沿着与作用力方向完全一致的路径曲折延伸。
对固态电解质施加机械应力并不能消除枝晶的形成，但确实可以控制其生长方向。这意味着可以引导枝晶始终与两个电极保持平行，使其无法穿越到另一侧，从而被化解。
在测试中，研究人员通过弯曲材料施加压力，材料被制成一端带有重物的梁状结构。但他们表示，在实际应用中，可以有多种不同方式产生所需的应力。例如，可以将电解质制成由两层热膨胀系数不同的材料构成，使材料产生固有的弯曲，正如某些恒温器中所采用的做法一样。
另一种方法是用掺杂原子对材料进行“掺杂”，这些原子会嵌入材料中，使其变形并长期处于应力状态。蒋祎明解释说，这与用于生产智能手机和平板电脑屏幕所用超硬玻璃的方法相同。而所需的压力也并不极端：实验表明，150至200兆帕的压力足以阻止枝晶穿过电解质。
所需压力“与商业薄膜生长工艺及许多其他制造工艺中通常产生的应力相当”，因此在实际应用中应当不难实现，芬彻补充道。
事实上，电池单元通常会承受另一种称为堆叠压力的应力，即沿垂直于电池极板的方向挤压材料，大致类似于在三明治上放重物进行压缩。人们曾认为这可能有助于防止各层分离。但实验现已表明，沿该方向的压力实际上会加剧枝晶的形成。“我们发现，这种堆叠压力实际上会加速枝晶引起的失效，”芬彻说。
相反，所需要的是沿极板平面方向施加的压力，就像从两侧挤压三明治一样。“这项工作表明，当你施加压缩力时，可以迫使枝晶沿压缩方向延伸，”芬彻说。如果该方向沿极板平面，枝晶“将永远无法到达另一侧”。
这或许最终会使采用固态电解质和金属锂电极生产电池成为切实可行的选择。这不仅能在相同体积和重量下储存更多能量，还能消除对液态电解质的需求，而液态电解质是易燃材料。
蒋祎明表示，在证明相关基本原理之后，该团队的下一步是尝试将这些原理应用于制造一块可正常工作的电池原型，然后弄清楚需要哪些具体制造工艺才能大批量生产此类电池。尽管他们已为此申请了专利，但研究人员表示，他们不打算自行将该系统商业化，因为已有公司在致力于固态电池的开发。“我认为，这是对固态电池失效模式的一种认识，我们认为业界需要了解这些失效模式，并尝试将其运用于设计更优质的产品，”他说。
研究团队成员包括布朗大学的克里斯托斯·阿塔纳西乌（Christos Athanasiou）和布莱恩·谢尔登（Brian Sheldon），以及麻省理工学院的科林·吉尔根巴赫（Colin Gilgenbach）、迈克尔·王（Michael Wang）和W. 克雷格·卡特（W. Craig Carter）。该研究获得了美国国家科学基金会、美国国防部、美国国防高级研究计划局和美国能源部的支持。
