智东西（公众号：zhidxcom）
编 | 云鹏

智东西2月6日消息，据外媒报道，麻省理工学院（MIT）的科学家们近日公布了一项锂金属阳极技术，他们将金属锂置于蜂窝结构的MIEC管道中，并在金属锂之间留有空隙，从而释放金属锂因充电膨胀带来的应力，解决了固体电池研发中最关键的问题之一。

通过这项技术，科学家们可以显著改善未来电池的寿命和能量密度。据项目主要负责人李博士（Ju Li）介绍，未来手机每三天充一次电将成为可能。

一、固体电解质与金属阳极的矛盾

金属阳极的研究是开发安全的全固态电池的重要环节之一。通过这项新技术设计的固态电池，不需要使用常见的液体电解质或者聚合物凝胶电解质，是纯固态的。

电解质使锂离子在电池的充电和放电循环中可以来回运动，而全固态电解质比液态电解质要更加安全。液态电解质通常具有很强的挥发性，也是锂电池在某些情况下发生爆炸的根源。

项目的主要负责人李博士说：“研究使用锂金属作为正极，并使用固体作为电解质的电池已经不是什么新鲜事，但是目前的许多研究都面临一些问题。”

最大的问题之一是，当电池充满电时，原子会在锂金属内部积聚，从而使其膨胀。然后，随着电池的使用，锂金属在放电过程中会再次收缩。锂金属尺寸的反复变化会使它难以与固体电解质保持恒定的接触，并且还会导致固体电解质的破裂或分离。

另一个问题是，目前常见的固体电解质在与高反应性锂金属接触时，化学稳定性普遍不好，并且随着时间的流逝，这些固体电解质还会趋于降解。

二、百亿个“发动机活塞“组成的阳极

大部分科学家在解决上述这些问题时，都集中在设计对锂金属绝对稳定的固体电解质材料上，事实证明这是非常困难的。

相反，李博士和他的团队采用了一种不同的设计思路。他们利用了另外两种固体：与锂接触后在化学上绝对稳定的混合离子电子导体（MIEC）和电子锂离子绝缘体（ELI）。

科学家们开发出了一种蜂窝状六边形MIEC管三维纳米结构，该结构中的一部分管内被注入了固态锂金属以形成电池的阳极，但每根管内的固态金属锂之间都留有多余的空间。

当锂在充电过程中膨胀时，它会像液体一样流入管内部的空白空间里。这种流动是完全限制在蜂窝结构内部的，可以释放由于充电引起的膨胀压力，但又不会改变电极的外部尺寸。另一种材料ELI是MIEC管壁和固体电解质层之间的关键粘合剂。

李博士说，该蜂窝结构的每个管中的空隙都可以使金属锂“向后蠕变”进入管中，这样一来，它就不会产生应力从而导致固体电解质破裂。

“金属锂在管道中膨胀收缩，像外向内反复运动，就像汽缸内的汽车发动机活塞一样。由于这些结构是按纳米级尺寸建造的（管子的直径约为100至300纳米，高度为数十微米），所以整个结构系统就像是具有100亿个活塞的发动机一样。”

三、手机三天充一次不是梦

李博士说，由于这些蜂窝状结构的管道是由化学性非常稳定的MIEC材料制成，所以金属锂会时刻保持与管壁的紧密接触。也正因如此，整个固体电池在其使用周期中可以保持机械和化学上的双重稳定性。

他的团队已通过实验证明了这一点，被测试的原型电池经过100次充放电循环，也没有产生任何固体破裂现象。

▲金属锂在100nm MIEC管道中的状态

李说，目前大部分所谓的固态电池，使用的都是混合液态电解质和固态电解质材料，这些电池也可以很好的工作，但是我们这次设计的是纯粹的固态的电池，没有任何液体或凝胶。

在相同的存储容量下，利用新技术设计的电池阳极可能仅为传统阳极重量的四分之一。如果与当下研究的先进轻型阴极相结合，可能会大幅减少锂电池的总重量。未来，手机每三天充一次电将成为可能。

结语：固体电池研究又向前迈进一步

此次麻省理工学院科学家们研发的固体电池阳极新技术，解决了纯固体电池研究中的金属形变难题，从而极大的减小了电池的体积和重量。

目前电池技术已经成为了制约手机、电动汽车等产品性能进一步提升的主要瓶颈之一。无论是石墨烯技术，还是麻省理工学院科学家们此次的研究成果，都不断推进着电池技术的进步。

相信在不远的将来，电池技术会迎来令人欣喜的跨越式前进。

文章来源:MIT

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