大多數(shù)電池由兩個(gè)稱為電極的固體電化學(xué)活性層構(gòu)成，并由被寫(xiě)入液體或凝膠電解質(zhì)的聚合物膜隔開(kāi)。但鋰電世界近來(lái)的研討探討了全固態(tài)電池的也許性，其間液體（潛在易燃）電解質(zhì)將被固體電解質(zhì)替代，這能夠增強(qiáng)電池的能量密度和安全性。

如今，麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)首次探究了硫化物基固體電解質(zhì)資料的機(jī)械功能，以斷定其結(jié)合到電池中時(shí)的機(jī)械功能。

新的研討結(jié)果發(fā)如今本周的“高檔能源資料”雜志上宣布，該論文由麻省理工學(xué)院的研討生Frank McGrogan和Tushar Swamy，資料科學(xué)與工程教授Krystyn Van Vliet，資料科學(xué)與工程教授陳明清，別的四位包含由麻省理工學(xué)院資料科學(xué)與工程基地及其資料加工基地辦理的國(guó)家科學(xué)基金會(huì)本科研討經(jīng)歷（REU）的本科生。

鋰離子電池供給了一種輕量級(jí)的儲(chǔ)能解決方案，使許多當(dāng)今的高科技設(shè)備可用，從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車(chē)?？墒窃谶@種電池中，用固體電解質(zhì)替代慣例的液體電解質(zhì)可具有明顯的長(zhǎng)處。分量相其時(shí)，這種全固態(tài)鋰離子電池能夠在電池組等級(jí)供給乃至更大的能量存儲(chǔ)才能。它們還能夠基本上消除被稱為“樹(shù)突”的細(xì)小的，指狀的金屬突起帶來(lái)的危險(xiǎn)，樹(shù)突能夠穿透電解質(zhì)層成長(zhǎng)并致使短路。

“全固態(tài)電池是功能和安全性的有吸引力挑選，但仍有一些應(yīng)戰(zhàn)。”Van Vliet說(shuō)。在當(dāng)今商場(chǎng)占主導(dǎo)地位的鋰離子電池中，鋰離子在電池充電時(shí)經(jīng)過(guò)液體電解質(zhì)從一個(gè)電極抵達(dá)另一個(gè)電極，然后在運(yùn)用時(shí)經(jīng)過(guò)相反的方向流過(guò)。“這些電池對(duì)錯(cuò)常有用的，但液體電解質(zhì)具有化學(xué)不穩(wěn)定性，乃至是易燃的。”Van Vliet說(shuō)。“所以，假如電解質(zhì)是固體會(huì)更安全，而且體積更小，分量更輕。”

可是運(yùn)用這種全固體電池的大問(wèn)題是當(dāng)電極重復(fù)充電和放電時(shí)，電池內(nèi)部的電解質(zhì)資料也許發(fā)生什么樣的機(jī)械應(yīng)力。這種循環(huán)使得電極跟著鋰離子進(jìn)入和離開(kāi)其晶體結(jié)構(gòu)而膨脹和縮短。在剛性電解質(zhì)中，這些尺度改變也許致使較高應(yīng)力。假如電解質(zhì)也是脆性的，尺度的穩(wěn)定改變可致使裂紋，并迅速地下降電池功能，乃至也許發(fā)生利于損壞電池的樹(shù)突形成的通道，如在液體電解質(zhì)電池中那樣?？墒牵偃缳Y料抗開(kāi)裂，那些應(yīng)力能夠在資料迅速開(kāi)裂前被吸納。

到目前為止，硫化物對(duì)正常實(shí)驗(yàn)室空氣的極點(diǎn)敏感性對(duì)丈量其機(jī)械功能，包含開(kāi)裂韌性提出了應(yīng)戰(zhàn)。為了避免這個(gè)問(wèn)題，研討人員在礦物油浴中進(jìn)行機(jī)械測(cè)驗(yàn)，維護(hù)樣品免受與空氣或水分的任何化學(xué)相互作用。運(yùn)用該技能，他們能夠具體丈量硫化鋰的機(jī)械功能，硫化鋰被認(rèn)為是全固態(tài)電池電解質(zhì)最有期望的候選者。

“固體電解質(zhì)有許多不相同的候選者，”McGrogan說(shuō)。別的集體現(xiàn)已研討了鋰離子導(dǎo)電氧化物的機(jī)械功能，可是迄今為止對(duì)硫化物的研討很少，即便它們能夠迅速地傳導(dǎo)鋰離子而十分具有潛力。

此前，研討人員運(yùn)用聲學(xué)丈量技能，使聲波經(jīng)過(guò)資料以勘探其機(jī)械做法，可是該方法不能量化資料對(duì)開(kāi)裂的抵抗力。本項(xiàng)新研討工作運(yùn)用細(xì)尖探針進(jìn)入資料并監(jiān)測(cè)其呼應(yīng)，丈量出了資料更重要的功能，包含硬度，開(kāi)裂韌性和楊氏模量（衡量資料的拉伸才能在施加應(yīng)力下可逆）。

“研討小組現(xiàn)已丈量了硫化物基固體電解質(zhì)的彈性功能，但沒(méi)有丈量開(kāi)裂功能，”Van Vliet說(shuō)。開(kāi)裂功能關(guān)于猜測(cè)資料在電池中用作電解質(zhì)時(shí)是否也許破裂或破碎是至關(guān)重要的。

研討人員發(fā)現(xiàn)，該資料的綜合功能類(lèi)似于橡皮泥或鹽水太妃糖的性質(zhì)組合：當(dāng)飽嘗應(yīng)力時(shí)，它能夠容易地變形，可是在足夠高的應(yīng)力下它能夠像脆性玻璃片相同裂開(kāi)。

“經(jīng)過(guò)具體了解這些特點(diǎn)，你能夠核算資料在開(kāi)裂之前能接受多大的應(yīng)力，而且在規(guī)劃電池體系時(shí)考慮到這些信息。”Van Vliet說(shuō)。

事實(shí)證明，硫化物資料比電池運(yùn)用的抱負(fù)資料更脆。“可是只要已知其性質(zhì)，而且體系規(guī)劃恰當(dāng)，該資料依然能夠具有用作固態(tài)電解質(zhì)的潛力。”McGrogan說(shuō)。“你有必要環(huán)繞這個(gè)常識(shí)進(jìn)行規(guī)劃。”