'优雅'的设计可能会导致更强大，更安全的锂金属电池

化学工程学教授LyndenArcher认为，需要进行电池技术“革命”-并认为他的实验室已经开始了其中一次拍摄。

“我们现在所拥有的（锂离子电池技术）实际上处于其能力的极限，”史密斯化学和生物分子工程学院JamesA.Friend家族杰出工程教授Archer说。“锂离子电池已经成为推动新电子技术发展的主力，其理论存储容量超过90％。小的工程调整可能导致更好的电池和更多的存储，但这不是一个长期的解决方案。

“你需要一种激进的思维变化，”他说，“这意味着你一开始就要开始。”

Snehashis“Sne”Choudhury博士'18提出了Archer提出的使用能量密度高的金属锂阳极的可充电电池的一个基本问题的“优雅”解决方案：由于枝晶（从阳极生长的锂的尖刺）引起的有时是灾难性的不稳定性，离子在充电和放电循环期间来回穿过电解质。

如果枝晶突破分离器并到达阴极，则会发生短路和火灾。已经显示固体电解质机械地抑制枝晶生长，但是以快速离子迁移为代价。Choudhury的解决方案：通过电解质本身的结构来限制枝晶的生长，这可以通过化学方法进行控制。

使用阿奇集团于2015年推出的反应程序，他们采用“交联毛状纳米粒子”-二氧化硅纳米粒子和官能化聚合物（聚环氧丙烷）的接枝物-创造多孔电解质，有效延长离子必须行进的路线从阳极到阴极并返回，极大地延长了阳极的使用寿命。

他们的论文“在结构化电解质中限制金属的电沉积”于6月11日在美国国家科学院院刊上发表。Choudhury和DylanVu是化学工程专业的新生，他们是合作的第一作者。

“想象一下，在迷宫中，每个关口都会遇到障碍，”阿彻说。“在能量存储方面，目标是尽可能多地将能量包装到尽可能小的空间中，以最大限度地减小整体设备尺寸。因此，从绝对意义上讲，组件之间不可能有很长的分隔距离，但我们已经表明，通过引入曲折的运输路径来增加长度尺度是可能的。“

前往斯坦福大学从事博士后研究工作的Choudhury也设计了一种直接观察其实验电池内部运行的方法。该小组通过Choudhury的设备确认了关于枝晶生长的理论预测。

“这是我想要做的事情，我猜，三位博士。学生的一生，“自2000年以来一直在康奈尔大学工作的阿切尔笑着说。“Sne能够做的是设计一个单元，使我们能够非常优雅地观察锂金属界面发生的情况，让我们现在有能力超越理论预测。”

阿切尔说，这项工作的另一个新颖之处是“推翻了电池科学中的经典之作”。人们一直认为，为了抑制树枝状晶体生长，电池内部的隔膜必须比它试图抑制的金属更强，但Choudhury的多孔聚合物隔膜-平均孔径低于500纳米-显示阻止生长。

“即使人们设计了一个柔软的分离器，但纳米结构会产生曲折，你可以到达那里，”阿彻说。“我们试图做的一部分是平衡创造技术相关系统的愿望和从根本上理解事物的愿望。如果你这样做，你可以设计新的系统。“

这位合着者之一--Vu-是一名大学生，在康奈尔大学和他的团队中并不罕见，阿切尔说。

“这是一个优先考虑的事情，通过让他们接触研究，基本上为本科经验增加价值，”他说。“说起来容易做起来难，做起来容易，因为本科生一般不在这里进行研究。......而且Sne以一种奇迹般的方式管理着与他合作过的每一位大学生一起写下这样的素质。“

MukulTikekar博士'17，博士生AlexanderWarren和ZhengyuanTu也为这项工作做出了贡献，得到了国家科学基金会的资助。