X射线成像表明固态电池断裂的原因 或有助于提升电池设计

作者：GeorgiaInstituteofTechnology

固态电池—一种使用全固态元件的新型电池设计—近年来受到了人们的关注，因为固态电池在保持更多能量的同时避免了液态电池的安全挑战。

但是制造一个持久的固态电池说起来容易做起来难。现在，佐治亚理工学院的研究人员已经使用X射线计算机断层扫描（CT）来实时显示电池中材料界面边缘附近的裂纹是如何形成的。这一发现有助于研究人员找到改善储能装置的方法。

“固态电池可能比锂离子电池更安全，并可能拥有更多的能量，这将是电动汽车甚至电动飞机的理想选择，”佐治亚理工学院材料科学与工程学院的助理教授马修·麦克道尔说。从技术上讲，这是一个快速发展的领域，有很多公司对此感兴趣。”

在典型的锂离子电池中，锂离子通过液体电解质在两个电极（阴极和阳极）之间传递时释放能量。

这项研究发表在6月4日的《ACS能源快报》上，由国家科学基金会赞助，研究小组建立了一个固态电池，其中固体陶瓷盘被夹在两片固体锂之间。陶瓷盘取代了典型的液体电解质。

麦克道尔说：“要想弄清楚如何使这些坚固的部件组合在一起，并在长时间内表现良好，这是一个挑战。我们正在研究如何设计这些固体部件之间的接口，以使它们尽可能长时间地使用。”

与佐治亚理工学院的助理教授、X射线成像专家克里斯托弗·萨尔达纳合作，研究人员将电池置于X射线显微镜下，对其进行充电和放电，寻找表明电池退化的物理变化。经过几天的缓慢过程，整个盘上形成了网状裂纹。

这些裂纹是问题所在，并伴随着锂金属和固体电解质之间的界面层的生长而出现。研究人员发现，这种在循环过程中的断裂导致了对离子流动的阻力。

麦克道尔说：“这些是发生在界面上的不必要的化学反应。”人们通常认为这些化学反应是导致细胞退化的原因。但是我们通过成像了解到，在这种特殊的材料中，不好的不是化学反应本身——它们不会影响电池的性能。坏的是，细胞破裂，破坏了细胞的性能。”

解决压裂问题可能是释放固态电池潜能（包括其高能量密度）的第一步。研究人员指出，所观察到的劣化可能会影响其他类型的固态电池，因此这一发现可能会引导设计更耐用的界面。

麦克道尔说：“在普通的锂离子电池中，我们使用的材料决定了我们能储存多少能量。纯锂的含量最高，但在液体电解质中效果不佳。但是，如果你能将固体锂与固体电解质结合使用，这将是能量密度的圣杯。”