近日，一项美国麻省理工的研究为固态锂电池的进一步突破性发展提供了线索。


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在11月18日的《焦耳》杂志中，由美国麻省理工大学华裔科学家，蒋业明教授领导的团队成功解释了可充电锂电池内锂枝晶的形成原因，以及如何防止其穿过电解液的方法，解决了固态锂电池发展中的难题，为设计出更轻、更紧凑、更安全的电池的迈出了重要一步。

《焦耳》是Nature子刊级别杂志，能源领域的顶级刊物。

研究指出，目前来看，可充电锂金属电池的商业用途还很有限，其中一个重要的原因就是锂枝晶（树突）。锂枝晶是一种细长的触须状金属细丝，在电池多次充放电循环后于锂阳极上形成的微小的树状缺陷，如果树突与阴极接触，就会导致电池短路。

科学家们一直以来都致力于用锂金属阳极取代现有电池中使用的石墨阳极，锂金属阳极的理论容量是传统石墨阳极的10倍，但是，因为树突的存在也会大大缩短电池的使用寿命。 因此，媒体称，麻省理工大学此次在锂枝晶研究上的突破，是固态锂电池发展之路上的重要里程碑。

锂枝晶是因机械应力形成

在之前的研究中，一些研究人员认为，锂枝晶是在纯电化学过程而非是机械过程形成的，但麻省理工大学团队在研究中发现，导致问题的是机械应力。

电池枝晶的形成过程通常发生在不透明材料的深处，无法直接观察到，因此研究人员开发了一种使用透明电解液制造薄电池的方法，可直接看到和记录整个过程。

蒋业明教授说，在小组早期的研究中，他们有了一个“意想不到的”的发现：在电池充放电的过程中，用于固态电池的电解质材料可以被锂穿透，同时他们还发现锂离子会在电池两侧来回移动，这种来回穿梭导致了电极的体积发生了变化。

蒋教授称，这种体积上的变化使固体电解质中产生了机械应力，他说：

因为固体电解质必须与两个电极保持完全接触，因此产生了机械应力。

因此锂的沉积，使电池一侧的体积增加了。如果存在微小的缺陷，在电池使用的过程中，就会对这些导致开裂的微小缺陷造成压力，产生锂枝晶。

运用机械应力就可以控制锂枝晶方向

因此，在发现机械应力是产生锂枝晶的原因后，蒋教授团队就开始着手研究，怎么利用机械应力控制锂枝晶。

从此前的研究报告来看，几十年来，研究人员一直认为坚硬的固体电解质，如陶瓷制成的电解质最能防止树突穿透电池，也有很多人认为，需要从一开始就阻止树突的“形成”或“成核”，否则就会像在汽车挡风玻璃上扩散的小裂缝一样。

而蒋业明发现，只需施加和释放压力，就可直接控制锂枝晶的生长，使锂枝晶与力的方向完全一致，并不需要消除锂枝晶：对机械应力的运用可以引导它们与两个电极保持平行，并防止它们穿过另一侧，从而不会引起短路等现象。蒋教授说：

我们通过使用机械压力来弯曲材料，以此来证明我们是可以控制锂枝晶的生长方向的。

同时，MIT团队还设计出在商用电池中实现的几种方法。该装置可以结合具有不同热膨胀性能的材料来运用机械应力，或是在材料中“掺杂”嵌入原子，使其变形并处于永久的应力状态。

而且更重要的是，实验表明，大约在150到200兆帕斯卡的压力足以阻止锂枝晶穿过电解液，目前该方案是完全可以实现的。

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