为了研制一次充电就能驱动电动汽车行驶数百英里的可充电电池，科学家们努力用锂金属阳极取代目前电动汽车电池中使用的石墨阳极。

 

但是，虽然锂金属可以延长电动汽车30-50%的行驶里程，但它也会缩短电池的使用寿命，杏耀主管因为锂枝晶是在多次充放电循环过程中在锂阳极上形成的微小的树状缺陷。更糟糕的是， 杏耀主管团队 ，如果树突与阴极接触，就会导致电池短路。

 

几十年来，研究人员一直认为坚硬的固体电解质，如陶瓷制成的电解质，最能防止树突穿过细胞。但许多人发现，这种方法的问题在于，它并没有首先阻止树突的形成或“成核”，就像汽车挡风玻璃上的小裂缝最终扩散一样。

 

现在,研究人员在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室),与卡内基梅隆大学合作,在《自然》杂志上报道材料软的新类,固体电解质-由陶瓷和聚合物抑制树突在早期的成核阶段,之前他们可以传播,导致电池失败。

 

这项技术是伯克利实验室跨用户设施开展多学科合作的一个例子，以开发组装、表征和开发固态电池材料和设备的新想法。

 

固态储能技术，如使用固体电极和固体电解质的固态锂金属电池，可以提供高能量密度和优异的安全性，但该技术必须克服各种材料和加工方面的挑战。

 

“我们的树突抑制技术对电池行业有令人兴奋的影响，”合著者布雷特·赫尔姆斯说，他是伯克利实验室分子铸造的科学家。“有了它，电池制造商可以生产出更安全的锂金属电池，具有高能量密度和长循环寿命。”

 

赫尔姆斯补充说，用这种新型电解液制造的锂金属电池也可以用来驱动电动飞机。

 

一种抑制树突的软方法

 

设计这些新型软固体电解质的关键是使用了具有固有微孔的软聚合物(PIMs)，其孔隙由纳米尺度的陶瓷颗粒填充。由于电解液仍然是一种灵活、柔软、固体的材料，电池制造商将能够用电解液作为正极和电池隔膜之间的层压板制造出一卷锂箔。Helms说，这些锂电极组件(LESAs)是对传统石墨阳极极有吸引力的直接替代品，允许电池制造商使用他们现有的装配线。

 

展示新PIM的dendrite-suppressing特性复合电解质,头盔团队使用x射线在伯克利实验室的先进光源之间的接口创建3 d图像锂金属和电解质,并可视化锂电镀和剥离长达16个小时在高电流。当有新的PIM复合电解质时，可以观察到锂的连续平稳生长，而当没有这种电解质时，界面显示出早期树突生长的迹象。

 

这些数据和其他数据证实了一个新的金属锂电沉积物理模型的预测，该模型考虑了固体电解质的化学和机械特性。

 

“2017年,传统智慧时,你需要一个艰难的电解液,我们提出一个新的树突抑制机制可能是柔软的固态电解质,”合著者Venkat Viswanathan说,机械工程的副教授和教员研究所研究员斯科特·卡内基梅隆大学能源创新领导的理论研究工作。“PIM复合材料将这种方法实现在材料上是令人惊讶的。”

 

美国高级研究项目署-能源公司(ARPA-E)的一名受奖人，杏耀注册24M技术公司已经将这些材料集成到更大尺寸的电池中，用于电动汽车和eVTOL(电动垂直起降)飞机。

 

Helms说:“虽然ev和eVTOLs有独特的功率要求，但PIM复合固体电解质技术似乎是多功能的，并能在高功率下工作。”