新型固态电池使用自愈合材料满足稳定高容量存储

为电动汽车提供下一代能源存储的众多潜在途径之一是使用固态电解质，以取代目前锂电池中使用的液态电解质。美国的一个研究团队已经开发出了这种固态电池的原型，克服了这一领域的一些关键障碍，通过使用一种新颖的自愈合材料展示了稳定的高容量存储。

在今天的锂离子电池中，当电池充放电时，液态电解质携带锂离子在一对电极之间来回移动。如果电解质可以用固体材料代替，它可以使电池更安全，同时提高能量密度。实验证明，这种电池的储能能力是目前锂离子电池的两倍。

问题是，当电池循环时，一种叫做枝晶的触须状结构会在其中一个电极表面生长。随着枝晶的生长，电池的寿命和效能都会受到极大的影响，甚至有发生短路失效和起火的风险。因此，想出一种能够绕过这个问题的固态设计将是一个巨大的突破。

此次，来自麻省理工学院（MIT）、得克萨斯州农工大学、布朗大学、以及卡内基梅隆大学的研究团队，已经提出来一种相当有希望的新解决方案。研究人员开发了一种由钠-钾合金制成的半固态金属电极，并将其比作牙医的补漏材料。在具有牢固特性的同时，这种新型材料还能够流动和成型。

据了解，这种材料有适量的韧性，所以当它接触到固体电解质时，它就不会形成通常在完全固态但更脆的电极材料中会出现的微小裂纹，这种裂纹通常会导致枝晶的形成。

研究人员表示，“我们的初衷就是开发基于精心挑选的合金电极，以便引入一种可以作为金属电极自愈成分的液相材料。”在电池循环过程中，操作温度使材料保持在适当的半固态状态，以适应高电流（大约是使用固态锂的20倍），而不会形成枝晶。这还同时解决了迄今为止固态电池的另一个缺点——超高的电流密度。

在当前的研究者，科学家们提供了两种避免枝晶形成的设计思路，其一是将固态电解质与电极直接接触、而另一种则是将液态金属合金夹在两者中间。在这些实验性设计的早期结果的鼓舞下，研究人员现在正在研究将该技术应用于不同固态电池结构的方法，并对其可能性持乐观态度。

研究合著者、卡内基梅隆大学机械工程学教授 Venkatasubramanian Viswanathan 表示，“我们认为可将这套方案转化并用于任何固态锂离子电池，并且涵盖从手持设备、EV动力电池、以及电动航空等广泛的领域。”