固態鋰電池受到枝晶生長的影響。最近的一項研究深入研究了這些金屬絲的形成，並提供了一個防止它們形成的解決方案，以保持電池的容量和功率。麻省理工學院的研究人員取得了一項突破，可能為開發一種革命性的可充電鋰電池鋪平道路。這種新的設計預計將比現有的模型更輕，更緊湊，更安全。

這一潛在的電池技術飛躍的關鍵是用更薄、更輕的固體陶瓷材料層取代位於正負電極之間的液體電解質，並用固體金屬鋰取代其中一個電極。這將大大減少電池的整體尺寸和重量，並消除與液體電解質相關的安全風險，因為液體電解質是易燃的。但是這一探索一直被一個大問題所困擾：枝晶。

枝晶的名稱來自拉丁文的樹枝，它是金屬的突起，可以在鋰的表面堆積，並滲透到固體電解質中，最終從一個電極穿越到另一個電極，使電池單元短路。研究人員一直未能就產生這些金屬絲的原因達成一致，在如何防止這些金屬絲，從而使輕質固態電池成為一種實用的選擇方面也沒有什麼進展。

最近，麻省理工學院教授Yet-Ming Chiang、研究生Cole Fincher以及麻省理工學院和布朗大學的其他五人在《焦耳》雜誌上發表了一篇新的研究，似乎解決了什麼導致枝晶形成的問題。它還顯示瞭如何防止樹枝狀突起穿過電解質。

Chiang說，在該小組的早期工作中，他們有一個”令人驚訝和意外”的發現，即固態電池所使用的堅硬的固體電解質材料在電池充電和放電的過程中，由於鋰離子在雙方之間移動，可以被鋰穿透，而鋰是一種非常柔軟的金屬。離子的這種來回穿梭導致電極的體積變化。這不可避免地導致固體電解質的應力，它必須與夾在中間的兩個電極保持完全接觸。”為了沉積這種金屬，體積必須擴大，因為你在增加新的質量，因此，在鋰被沉積的電池一側體積會增加。如果有哪怕是微小的缺陷存在，這將對這些缺陷產生壓力，從而導致開裂。”

該團隊現在已經表明，這些壓力會導致裂縫，使枝晶形成。這個問題一貫以來的解決方案是以正確的方向和適量的力施加更多的壓力。

雖然以前一些研究人員認為枝晶是由一個純粹的電化學過程形成的，而不是一個機械過程，但該團隊的實驗證明，是機械應力導致了這個問題。

枝晶的形成過程通常發生在電池單元不透明材料的深處，無法直接觀察到，因此芬奇開發了一種使用透明電解質製造薄電池的方法，使整個過程可以直接看到和記錄。這樣一來在解決問題的過程中可以看到對系統施加壓力時發生了什麼，可以看到枝晶的行為是否與腐蝕過程或斷裂過程相稱。

研究小組證明，他們可以直接操縱枝晶的生長，只需施加和釋放壓力，使枝晶與力的方向完全一致。

對固體電解質施加機械壓力並不能消除枝晶的形成，但它確實控制了它們的生長方向。這意味著它們可以被引導到與兩個電極保持平行，並防止它們跨越到另一側，從而變得無害。

在他們的測試中，研究人員使用了通過彎曲材料而產生的壓力，這些材料被製成了一端有重量的梁。但他們說，在實踐中，可能有許多不同的方式來產生所需的壓力。例如，電解質可以用兩層具有不同熱膨脹量的材料製成，這樣就有了材料固有的彎曲，就像在一些恆溫器中做的那樣。

另一種方法是在材料中”摻入”原子，這些原子會嵌入材料中，使其變形，並使其處於永久受壓狀態。Chiang解釋說，這與生產智能手機和平板電腦屏幕中使用的超硬玻璃的方法相同。而且所需的壓力量並不極端：實驗表明，150至200兆帕的壓力足以阻止枝晶質穿過電解質。所需的壓力”與商業薄膜生長過程和許多其他製造過程中通常引起的壓力相稱”，因此在實踐中應該不難實現。

事實上，一種不同的壓力，稱為堆積壓力經常被應用於電池單元，通過在垂直於電池板的方向上擠壓材料–有點像通過在上面放一個重物來壓縮一個三明治。人們認為這可能有助於防止電池層的分離。但現在的實驗表明，該方向的壓力實際上加劇了枝晶的形成，實際上加速了枝晶引起的電池劣化。

相反，需要的是沿板材平面的壓力，就像夾層從側面被擠壓一樣。當施加一個壓縮力時，可以迫使枝晶沿著壓縮的方向移動，如果這個方向是沿著板的平面，枝晶將永遠不會到達另一邊。

這可能最終使使用固體電解質和金屬鋰電極生產電池成為現實。這些電池不僅可以在給定的體積和重量中儲存更多的能量，而且還可以消除對液體電解質的需求，因為液體電解質是易燃材料。

在證明了相關的基本原理之後，該團隊的下一步將是嘗試將這些原理應用於創建一個功能性的原型電池，然後弄清楚需要什麼樣的製造工藝才能大量生產這種電池。儘管他們已經申請了專利，但研究人員並不打算自己將該系統商業化，他說，因為已經有公司在開發固態電池。