幾乎每個人都忍受了手機沒電才能獲得充電的挫敗感，盡管電動汽車越來越普及，但在電池電量耗盡之前可以行駛多遠(yuǎn)仍受到限制。確實，電池的能量密度(在給定的質(zhì)量或體積中包裝多少能量)已成為消費電子，電動汽車和可再生能源的主要挑戰(zhàn)。

加州理工學(xué)院的新進展可能會大大改善事情。朱莉婭·格里爾(JuliaR.Greer)實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種可能導(dǎo)致鋰離子電池更安全，功能更強大的發(fā)現(xiàn)。他們的發(fā)現(xiàn)為最常見的可充電電池之一鋰離子電池安全地容納多達(dá)50%的能量提供了指導(dǎo)。

常規(guī)的鋰離子電池使用石墨構(gòu)成陽極，即電流進入電池單元的電極。石墨自30年來一直是該任務(wù)的首選材料，因為它重量輕，穩(wěn)定，價格合理，并且可以承受無數(shù)次電池循環(huán)的考驗。Greer，加州理工學(xué)院的RubenF.和DonnaMettler的材料科學(xué)，力學(xué)和醫(yī)學(xué)工程教授以及Kavli納米科學(xué)研究所的FletcherJones基金會理事說，如果只能克服一些技術(shù)挑戰(zhàn)，那就可以找到更好的材料。

她說：“使用鋰而不是石墨陽極的電池，每個需要功率的應(yīng)用都會受益，因為它們可以提供更多的功率，”她說?！颁囀禽p質(zhì)的，它不占用太多空間，而且能量密度極大?！?/p>

但是這里是鋰金屬的問題：當(dāng)電池經(jīng)過許多次充放電循環(huán)時，鋰自然形成樹枝狀晶體，這些晶體形成一種分支狀的樹狀結(jié)構(gòu)。在電池充電過程中，樹枝狀晶體在鋰金屬電池中無法控制地生長，并且可以像細(xì)線一樣作用，當(dāng)它們穿透系統(tǒng)時會短路并殺死電池。

格雷爾說，研究人員長期以來一直在尋找防止這種增長的新方法。一種可能的方法是將某些物體物理地壓在鋰金屬上以抑制枝晶。盡管典型的鋰離子電池具有液態(tài)電解質(zhì)(將兩個電池電極分開并通過鋰??離子移動的物質(zhì))，但是使用固態(tài)電解質(zhì)的電池理論上可以施加足夠的機械壓力來阻止枝晶。

然而，在對具有固體電解質(zhì)的電池進行研究之后，樹枝狀晶體仍在生長。

格雷爾懷疑固態(tài)電解質(zhì)的強度不足以抵抗樹枝狀晶體的生長，因為研究人員低估了尺寸為納米級的樹枝狀晶體的強度。他們低估了它，因為宏觀鋰是一種相對軟的金屬，可與鉛和錫媲美。她說，小規(guī)模的金屬強度可能比大規(guī)模的金屬高100倍。

格雷爾說：“如果您想到的是珠寶，例如金或銅，它的延展性很強。您可以用自己的雙手輕松地使其變形。”他專門研究納米材料的機械性能?！暗牵?dāng)減小相同金屬的尺寸時，強度可以提高一個數(shù)量級以上?！?/p>

2015年，Greer和她的同事們雕刻了微小的鋰柱，并測試了它們的彈性，發(fā)現(xiàn)它們至少比人們想象的要強一個數(shù)量級。格雷爾說，實驗設(shè)置并未完全反映出鋰枝晶在真實電池中的表現(xiàn)方式。為了更準(zhǔn)確地模擬這一點，她和她的合作者，包括格里爾實驗室的校友邁克爾·奇特林(MichaelCitrin)和博士后學(xué)者衡陽(HengYang)，以及FrontEdgeTechnology的西蒙·尼爾(SimonNieh)，制造了一種電池，該電池設(shè)計用于生產(chǎn)與純鋰枝晶非常相似的電池。在電池中形成。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些樹枝狀晶體的強度是散裝鋰的24倍。

有了這些信息，研究人員現(xiàn)在對使鋰陽極電池工作所需的條件有了更好的了解。格里爾說，這代表了一項重大的研究挑戰(zhàn)，因為聚合物和陶瓷(通常用于固體電解質(zhì)的材料)都有缺點。大多數(shù)聚合物太軟，無法承受樹枝狀晶體的生長，而陶瓷則容易在樹枝狀晶體施加的壓力下破裂。

有了這些新發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家便有了一個起點。她說：“這與電池研究息息相關(guān)，是基礎(chǔ)研究與技術(shù)進步息息相關(guān)的真實體現(xiàn)。”

這項研究在《MRS公報》上的一篇論文中進行了描述，該論文的標(biāo)題為“從離子到原子再到樹突：電沉積鋰的形成和納米力學(xué)行為”。