近年來，許多研究團隊都在努力為鋰電池尋找性能更加優異的固態電解質和電極材料。本文要為大家介紹的，就是麻省理工團隊開發的一款原型固態電池。特點是藉助新型自修復材料，克服了該領域的一些關鍵難點，為其賦予了穩定的高容量存儲前景。

（來自：MIT）

據悉，在當今的鋰離子電池中，隨著充放電循環的持續，液態電解質會在陰陽兩極之間來回攜帶鋰離子。

然而正如上圖所展示的那樣，位於固體電解質的灰色圓盤上的金屬電極（帶有紋理的內圈部分），正在其表面上形成讓鋰電池研究人員頭疼不已的枝晶。

研究配圖- 1：化學電池研究概況

隨著枝晶的生長，電池的壽命和效能都會受到極大的影響，甚至有發生短路失效和起火的風險。

但若能夠將電解質換成固體材料，不僅可以讓電池變得更加安全，還可達成更高的能量密度。

研究配圖- 2：固體電解質的表面光潔度和微觀結構

此前的研究中，已有不少團隊的實驗電池能夠實現兩倍於當前鋰離子電池的能量密度。

現在，來自麻省理工學院、得克薩斯州農工大學、布朗大學、以及卡內基梅隆大學的研究團隊，已經提出來一種相當有希望的新解決方案。

研究配圖- 3：固體電解質的金屬滲透

據悉，研究人員開發出了一種由鈉-鉀合金製成的半固態金屬電極，並將之比作牙醫的補漏材料。在具有牢固特性的同時，這種新型材料還能夠流動和成型。

在加入了適量的材料後，它能夠在與固態電解質接觸時避免形成微小的裂紋（通常出現在純固態但較脆的電極材料中）和枝晶。

研究配圖- 4：電極與電解質表面發生了短路故障

剩下的事情，就是找到精心挑選的合金電極，以便引入可用作金屬電極自愈成分的液相材料。

隨著電池的循環使用，工作溫度可讓材料保持在正確的半固相狀態，以適應高達20 倍的電流、而不會形成枝晶。

研究配圖- 5：單相固態金屬和半固態合金的面積容量

當前研究人員已經提供了兩種避免枝晶形成的設計思路，​​其一是將固態電解質與電極直接接觸、另一種則是將液態金屬合金夾在兩者中間。

有趣的是，研究人員還提出了第三種方案，通過將液態鈉-鉀合金薄膜集成到電池中、然後將其夾在固體電極和固體電解質之間，竟然也有助於防止枝晶的形成。

研究配圖- 6：新材料對化學電池和鹼金屬屈服應力的影響

研究合著者、卡內基梅隆大學機械工程學教授Venkatasubramanian Viswanathan 對這項技術的未來前景表示相當樂觀：

“我們認為可將這套方案轉化並用於任何固態鋰離子電池，並且涵蓋從手持設備、EV 動力電池、以及電動航空等廣泛的領域”。

研究配圖- 7：半固態鹼金屬電極的成分設計

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《自然能源》（Nature Energy）期刊上。

原標題為《Semi-solid alkali metal electrodes enabling high critical current densities in solid electrolyte batteries》。