智東西（公眾號：zhidxcom）
編 | 雲鵬
智東西2月6日消息，據外媒報導，麻省理工學院（MIT）的科學家們近日公布了一項鋰金屬陽極技術，他們將金屬鋰置於蜂窩結構的MIEC管道中，並在金屬鋰之間留有空隙，從而釋放金屬鋰因充電膨脹帶來的應力，解決了固體電池研發中最關鍵的問題之一。
通過這項技術，科學家們可以顯著改善未來電池的壽命和能量密度。據項目主要負責人李博士（Ju Li）介紹，未來手機每三天充一次電將成為可能。
一、固體電解質與金屬陽極的矛盾
金屬陽極的研究是開發安全的全固態電池的重要環節之一。通過這項新技術設計的固態電池，不需要使用常見的液體電解質或者聚合物凝膠電解質，是純固態的。
電解質使鋰離子在電池的充電和放電循環中可以來回運動，而全固態電解質比液態電解質要更加安全。液態電解質通常具有很強的揮發性，也是鋰電池在某些情況下發生爆炸的根源。
項目的主要負責人李博士說：“研究使用鋰金屬作為正極，並使用固體作為電解質的電池已經不是什麽新鮮事，但是目前的許多研究都面臨一些問題。”
最大的問題之一是，當電池充滿電時，原子會在鋰金屬內部積聚，從而使其膨脹。然後，隨著電池的使用，鋰金屬在放電過程中會再次收縮。鋰金屬尺寸的反覆變化會使它難以與固體電解質保持恆定的接觸，並且還會導致固體電解質的破裂或分離。
另一個問題是，目前常見的固體電解質在與高反應性鋰金屬接觸時，化學穩定性普遍不好，並且隨著時間的流逝，這些固體電解質還會趨於降解。
二、百億個“發動機活塞“組成的陽極
大部分科學家在解決上述這些問題時，都集中在設計對鋰金屬絕對穩定的固體電解質材料上，事實證明這是非常困難的。
相反，李博士和他的團隊採用了一種不同的設計思路。他們利用了另外兩種固體：與鋰接觸後在化學上絕對穩定的混合離子電子導體（MIEC）和電子鋰離子絕緣體（ELI）。
科學家們開發出了一種蜂窩狀六邊形MIEC管三維納米結構，該結構中的一部分管內被注入了固態鋰金屬以形成電池的陽極，但每根管內的固態金屬鋰之間都留有多餘的空間。
當鋰在充電過程中膨脹時，它會像液體一樣流入管內部的空白空間裡。這種流動是完全限制在蜂窩結構內部的，可以釋放由於充電引起的膨脹壓力，但又不會改變電極的外部尺寸。另一種材料ELI是MIEC管壁和固體電解質層之間的關鍵粘合劑。
李博士說，該蜂窩結構的每個管中的空隙都可以使金屬鋰“向後蠕變”進入管中，這樣一來，它就不會產生應力從而導致固體電解質破裂。
“金屬鋰在管道中膨脹收縮，像外向內反覆運動，就像汽缸內的汽車發動機活塞一樣。由於這些結構是按納米級尺寸建造的（管子的直徑約為100至300納米，高度為數十微米），所以整個結構系統就像是具有100億個活塞的發動機一樣。”
三、手機三天充一次不是夢
李博士說，由於這些蜂窩狀結構的管道是由化學性非常穩定的MIEC材料製成，所以金屬鋰會時刻保持與管壁的緊密接觸。也正因如此，整個固體電池在其使用周期中可以保持機械和化學上的雙重穩定性。
他的團隊已通過實驗證明了這一點，被測試的原型電池經過100次充放電循環，也沒有產生任何固體破裂現象。
▲金屬鋰在100nm MIEC管道中的狀態
李說，目前大部分所謂的固態電池，使用的都是混合液態電解質和固態電解質材料，這些電池也可以很好的工作，但是我們這次設計的是純粹的固態的電池，沒有任何液體或凝膠。
在相同的存儲容量下，利用新技術設計的電池陽極可能僅為傳統陽極重量的四分之一。如果與當下研究的先進輕型陰極相結合，可能會大幅減少鋰電池的總重量。未來，手機每三天充一次電將成為可能。
結語：固體電池研究又向前邁進一步
此次麻省理工學院科學家們研發的固體電池陽極新技術，解決了純固體電池研究中的金屬形變難題，從而極大的減小了電池的體積和重量。
目前電池技術已經成為了製約手機、電動汽車等產品性能進一步提升的主要瓶頸之一。無論是石墨烯技術，還是麻省理工學院科學家們此次的研究成果，都不斷推進著電池技術的進步。
相信在不遠的將來，電池技術會迎來令人欣喜的跨越式前進。
文章來源:MIT
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