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為了追求能夠?yàn)殡妱悠囂峁﹩未纬潆姅?shù)百英里動力的可充電電池，科學(xué)家們努力用金屬鋰陽極取代目前電動汽車電池中使用的石墨陽極。

但是，雖然金屬鋰可以將電動汽車的行駛里程延長30-50%，但由于鋰的枝晶問題，即在多次充放電過程中在鋰陽極上形成的微小樹狀缺陷，也縮短了電池的使用壽命。更糟糕的是，樹枝狀缺陷如果與陰極接觸，會使電池中的電池短路。

幾十年來，研究人員認(rèn)為，堅(jiān)硬的固體電解質(zhì)，如由陶瓷制成的電解質(zhì)，可以最好地防止樹枝狀物穿過電池。但是，許多人發(fā)現(xiàn)，這種方法的問題是，它并沒有阻止樹枝狀物的形成或”成核”，首先，就像汽車擋風(fēng)玻璃上的微小裂縫，最終會蔓延。

現(xiàn)在，能源部勞倫斯-伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員與卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)合作，在《NatureMaterials》雜志上報告了一類由聚合物和陶瓷制成的新的柔軟固體電解質(zhì)，它能在樹枝狀物傳播并導(dǎo)致電池失效之前，將其抑制在早期成核階段。

固態(tài)儲能技術(shù)，如固態(tài)金屬鋰電池，使用固體電極和固體電解質(zhì)，可以提供高能量密度，同時具有優(yōu)異的安全性，但該技術(shù)必須克服多樣化的材料和加工挑戰(zhàn)。

“我們的枝晶抑制技術(shù)對電池行業(yè)有著令人興奮的意義，”共同作者BrettHelms說，他是伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠的工作人員科學(xué)家。”有了它，電池制造商可以生產(chǎn)出更安全的鋰金屬電池，同時具有高能量密度和長循環(huán)壽命。”

Helms補(bǔ)充說，用新電解液制造的鋰金屬電池也可以用來為電動飛機(jī)提供動力。

枝晶抑制的新方法

這些新的固體電解質(zhì)設(shè)計的關(guān)鍵是使用固有微孔的軟聚合物，即PIMs，其孔隙中填充了納米級的陶瓷顆粒。由于電解液仍然是一種柔性、柔軟的固體材料，電池制造商將能夠制造出一卷卷的鋰箔，電解液作為陽極和電池分離器之間的層壓材料。Helms說，這些鋰電極子組件，或LESA，是傳統(tǒng)石墨陽極的有吸引力的即插即用替代品，允許電池制造商使用現(xiàn)有的裝配線。

為了證明新的PIM復(fù)合電解液的樹枝狀抑制功能，Helms團(tuán)隊(duì)在伯克利實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光源使用X射線創(chuàng)建了金屬鋰和電解液之間的界面的3-D圖像，并在大電流下可視化鋰的電鍍和剝離長達(dá)16小時。當(dāng)新的PIM復(fù)合電解液存在時，觀察到鋰的持續(xù)平滑生長，而在沒有它的情況下，界面顯示出樹枝狀生長早期階段的明顯跡象。

這些數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)證實(shí)了金屬鋰電沉積新物理模型的預(yù)測，該模型同時考慮了固體電解質(zhì)的化學(xué)和機(jī)械特性。

論文標(biāo)題為《Universalchemomechanicaldesignrulesforsolid-ionconductorstopreventdendriteformationinlithiummetalbatteries》。