全固态锂电池将大幅提升电池的能量密度和安全性

大多数电池由两个称为电极的固体电化学活性层组成，并由被注入液体或凝胶电解质的聚合物膜隔开。但最近的研究探讨了全固态电池的可能性，其中液体（潜在易燃）电解质将被固体电解质替代，这可以增强电池的能量密度和安全性。

现在，麻省理工学院的一个团队第一次探索了硫化物基固体电解质材料的机械性能，以确定其结合到电池中时的机械性能。

新的研究结果发现在本周的“高级能源材料”杂志上发表，该论文由麻省理工学院的研究生FrankMcGrogan和TusharSwamy，材料科学与工程教授KrystynVanVliet，材料科学与工程教授陈明清，另外四位包括由麻省理工学院材料科学与工程中心及其材料加工中心管理的国家科学基金会本科研究经验（REU）的本科生。

锂离子电池提供了一种轻量级的储能解决方案，使许多当今的高科技设备可用，从智能手机到电动汽车。但是在这种电池中，用固体电解质代替常规的液体电解质可具有显着的优点。重量相当时，这种全固态锂离子电池可以在电池组级别提供甚至更大的能量存储能力。它们还可以基本上消除被称为“树突”的微小的，指状的金属突起带来的风险，树突可以穿透电解质层生长并导致短路。

“全固态电池是性能和安全性的有吸引力选择，但仍有一些挑战。”VanVliet说。在当今市场占主导地位的锂离子电池中，锂离子在电池充电时通过液体电解质从一个电极到达另一个电极，然后在使用时通过相反的方向流过。“这些电池是非常有效的，但液体电解质具有化学不稳定性，甚至是易燃的。”VanVliet说。“所以，如果电解质是固体会更安全，并且体积更小，重量更轻。”

但是使用这种全固体电池的大问题是当电极反复充电和放电时，电池内部的电解质材料可能发生什么样的机械应力。这种循环使得电极随着锂离子进入和离开其晶体结构而膨胀和收缩。在刚性电解质中，这些尺寸变化可能导致较高应力。如果电解质也是脆性的，尺寸的恒定变化可导致裂纹，并迅速地降低电池性能，甚至可能产生利于损坏电池的树突形成的通道，如在液体电解质电池中那样。但是，如果材料抗断裂，那些应力可以在材料快速开裂前被吸纳。

到目前为止，硫化物对正常实验室空气的极端敏感性对测量其机械性能，包括断裂韧性提出了挑战。为了避免这个问题，研究人员在矿物油浴中进行机械测试，保护样品免受与空气或水分的任何化学相互作用。使用该技术，他们能够详细测量硫化锂的机械性能，硫化锂被认为是全固态电池电解质最有希望的候选者。

“固体电解质有很多不同的候选者，”McGrogan说。其他团体已经研究了锂离子导电氧化物的机械性能，但是迄今为止对硫化物的研究很少，即使它们能够快速地传导锂离子而非常具有潜力。

此前，研究人员使用声学测量技术，使声波通过材料以探测其机械行为，但是该方法不能量化材料对断裂的抵抗力。本项新研究工作使用细尖探针进入材料并监测其响应，测量出了材料更重要的性能，包括硬度，断裂韧性和杨氏模量（衡量材料的拉伸能力在施加应力下可逆）。

“研究小组已经测量了硫化物基固体电解质的弹性性能，但没有测量断裂性能，”VanVliet说。断裂性能对于预测材料在电池中用作电解质时是否可能破裂或破碎是至关重要的。

研究人员发现，该材料的综合性能类似于橡皮泥或盐水太妃糖的性质组合：当经受应力时，它可以容易地变形，但是在足够高的应力下它可以像脆性玻璃片一样裂开。

“通过详细了解这些属性，你可以计算材料在断裂之前能承受多大的应力，并且在设计电池系统时考虑到这些信息。”VanVliet说。

事实证明，硫化物材料比电池使用的理想材料更脆。“但是只要已知其性质，并且系统设计恰当，该材料仍然可以具有用作固态电解质的潜力。”McGrogan说。“你必须围绕这个知识进行设计。”