美国研发固态离子导体阻止树突蔓延 研发下一代高容量锂金属电池

锂金属因具有高比容量，是最有前景的下一代电池阳极。不过，其广泛应用受到挑战性阻碍：在多次充放电循环中，称作树突的枝晶会通过电解质从电池负极生长到正极，导致电池内部短路，造成严重的安全问题。

（图片来源：卡内基梅隆大学）

然而，据外媒报道，美国卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon）机械工程系助理教授Venkat Viswanathan研究了固态离子导体（SIC）组件可作为阳极和电解质之间的隔板，阻止树突蔓延。

研究人员们首先设计了一个理论模型，以建立SIC必须遵守的设计规则，确保电沉积循环的稳定。从该模型中，研究人员了解到此种稳定性主要取决于SIC的两个特性：剪切模量（测量刚度）和锂离子在SIC移动时所占的体积。

剪切模量更低且锂体积较小的材料会抑制树突的生长，而剪切模量高且锂体积大的材料则会阻止树突（蔓延），从而实现了两个稳定的区域：一个抑制树突的区域，一个阻断树突的区域。虽然在电化学领域，人们已经知道并研究了阻断树突的机制，但是尚未探索出抑制树突生长的机制。

通过与劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）Brett Helms团队合作，研究人员们意识到以前从未被认识到的稳定区域是取得重大科学进步的巨大机会，于是，设计了一种基于聚合物的复合SIC，专用于探测抑制树突生长的机制，并验证假设。

通过一系列计算和实验技术，研究人员们证明，通过访问之前未知的稳定区域，此种材料确实可以避开树突生长的障碍，毕竟树突一直在阻碍锂金属用作高容量阳极。

他们的研究可作为进一步研发下一代电池的基础，而下一代电池对于驱动飞行汽车等新技术将必不可少。