大多數(shù)電池由兩個稱為電極的固體電化學(xué)活性層組成，并由被注入液體或凝膠電解質(zhì)的聚合物膜隔開。但最近的研究探討了全固態(tài)電池的可能性，其中液體(潛在易燃)電解質(zhì)將被固體電解質(zhì)替代，這可以增強(qiáng)電池的能量密度和安全性。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一個團(tuán)隊第一次探索了硫化物基固體電解質(zhì)材料的機(jī)械性能，以確定其結(jié)合到電池中時的機(jī)械性能。

新的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在本周的“高級能源材料”雜志上發(fā)表，該論文由麻省理工學(xué)院的研究生 Frank McGrogan和Tushar Swamy，材料科學(xué)與工程教授 Krystyn Van Vliet，材料科學(xué)與工程教授陳明清，另外四位包括由麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程中心及其材料加工中心管理的國家科學(xué)基金會本科研究經(jīng)驗 (REU) 的本科生。

鋰離子電池提供了一種輕量級的儲能解決方案，使許多當(dāng)今的高科技設(shè)備可用，從智能手機(jī)到電動汽車。但是在這種電池中，用固體電解質(zhì)代替常規(guī)的液體電解質(zhì)可具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。重量相當(dāng)時，這種全固態(tài)鋰離子電池可以在電池組級別提供甚至更大的能量存儲能力。它們還可以基本上消除被稱為“樹突”的微小的，指狀的金屬突起帶來的風(fēng)險，樹突可以穿透電解質(zhì)層生長并導(dǎo)致短路。

“全固態(tài)電池是性能和安全性的有吸引力選擇，但仍有一些挑戰(zhàn)。”Van Vliet 說。在當(dāng)今市場占主導(dǎo)地位的鋰離子電池中，鋰離子在電池充電時通過液體電解質(zhì)從一個電極到達(dá)另一個電極，然后在使用時通過相反的方向流過。“這些電池是非常有效的，但液體電解質(zhì)具有化學(xué)不穩(wěn)定性，甚至是易燃的。”Van Vliet 說。“所以，如果電解質(zhì)是固體會更安全，并且體積更小，重量更輕。”

但是使用這種全固體電池的大問題是當(dāng)電極反復(fù)充電和放電時，電池內(nèi)部的電解質(zhì)材料可能發(fā)生什么樣的機(jī)械應(yīng)力。這種循環(huán)使得電極隨著鋰離子進(jìn)入和離開其晶體結(jié)構(gòu)而膨脹和收縮。在剛性電解質(zhì)中，這些尺寸變化可能導(dǎo)致較高應(yīng)力。如果電解質(zhì)也是脆性的，尺寸的恒定變化可導(dǎo)致裂紋，并迅速地降低電池性能，甚至可能產(chǎn)生利于損壞電池的樹突形成的通道，如在液體電解質(zhì)電池中那樣。但是，如果材料抗斷裂，那些應(yīng)力可以在材料快速開裂前被吸納。

到目前為止，硫化物對正常實驗室空氣的極端敏感性對測量其機(jī)械性能，包括斷裂韌性提出了挑戰(zhàn)。為了避免這個問題，研究人員在礦物油浴中進(jìn)行機(jī)械測試，保護(hù)樣品免受與空氣或水分的任何化學(xué)相互作用。使用該技術(shù)，他們能夠詳細(xì)測量硫化鋰的機(jī)械性能，硫化鋰被認(rèn)為是全固態(tài)電池電解質(zhì)最有希望的候選者。

“固體電解質(zhì)有很多不同的候選者，”McGrogan 說。其他團(tuán)體已經(jīng)研究了鋰離子導(dǎo)電氧化物的機(jī)械性能，但是迄今為止對硫化物的研究很少，即使它們能夠快速地傳導(dǎo)鋰離子而非常具有潛力。

此前，研究人員使用聲學(xué)測量技術(shù)，使聲波通過材料以探測其機(jī)械行為，但是該方法不能量化材料對斷裂的抵抗力。本項新研究工作使用細(xì)尖探針進(jìn)入材料并監(jiān)測其響應(yīng)，測量出了材料更重要的性能，包括硬度，斷裂韌性和楊氏模量(衡量材料的拉伸能力在施加應(yīng)力下可逆)。

“研究小組已經(jīng)測量了硫化物基固體電解質(zhì)的彈性性能，但沒有測量斷裂性能，”Van Vliet 說。斷裂性能對于預(yù)測材料在電池中用作電解質(zhì)時是否可能破裂或破碎是至關(guān)重要的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，該材料的綜合性能類似于橡皮泥或鹽水太妃糖的性質(zhì)組合：當(dāng)經(jīng)受應(yīng)力時，它可以容易地變形，但是在足夠高的應(yīng)力下它可以像脆性玻璃片一樣裂開。

“通過詳細(xì)了解這些屬性，你可以計算材料在斷裂之前能承受多大的應(yīng)力，并且在設(shè)計電池系統(tǒng)時考慮到這些信息。”Van Vliet 說。

事實證明，硫化物材料比電池使用的理想材料更脆。“但是只要已知其性質(zhì)，并且系統(tǒng)設(shè)計恰當(dāng)，該材料仍然可以具有用作固態(tài)電解質(zhì)的潛力。”McGrogan 說。“你必須圍繞這個知識進(jìn)行設(shè)計。”