材料科學與工程教授克里斯多夫·埃文斯(右)和研究生布萊恩·京開發了一種既可自愈又可回收的固態電池電解質。

這項新的研究可以幫助制造商生產可回收，自我修復的商業電池，該研究發表在《美國化學學會雜志》上。

研究人員說，當鋰離子電池經歷多次充放電循環時，它們會形成微小的樹枝狀固體鋰結構，這種結構被稱為樹突。這些結構會降低電池壽命，導致熱點和短路，有時還會變大，刺穿電池內部，導致電極和電解質液體之間發生爆炸性的化學反應。

研究人員說，化學家和工程師一直在推動用固體材料(例如陶瓷或聚合物)代替鋰離子電池中的液體電解質。然而，這些材料中的許多是剛性且易碎的，導致電解質與電極之間的接觸不良以及導電率降低。

材料科學與工程專業研究生和該研究的合著者布萊恩·京（Brian Jing）說：“固體離子導電聚合物是開發非液體電解質的一種選擇。但是，電池內部的高溫條件會熔化大多數聚合物，從而再次導致樹枝晶和故障。”

過去的研究已經通過使用交聯形成橡膠狀鋰導體的聚合物鏈網絡生產了固體電解質。這種方法延遲了樹枝狀晶體的生長。但是，這些材料很復雜，損壞后無法回收或治愈。

為了解決這個問題，研究人員開發了一種網絡聚合物電解質，其中的交聯點可以發生交換反應并交換聚合物鏈。研究人員說，與線性聚合物相比，這些網絡實際上在加熱時會變硬，從而可以最大程度地減少枝晶問題。此外，它們在損壞后很容易分解并重新固化成網狀結構，使其可回收利用，并且由于其自愈性，因此在損壞后可以恢復導電性。

“這種新型的網絡聚合物還顯示出卓越的特性，即電導率和剛度都隨加熱而增加，這是常規聚合物電解質所沒有的，” 京（Brian Jing）說。

材料科學與工程學教授，第一作者克里斯托弗·埃文斯(Christopher Evans)說：“大多數聚合物都需要強酸和高溫才能分解。我們的材料在室溫下可溶于水，這是一種非常節能且環保的工藝。”

研究人員說，研究小組探測了這種新材料的導電性，并發現其作為有效的電池電解質的潛力是有希望的。

埃文斯說：“我認為這項工作為其他人提供了一個有趣的測試平臺。” “我們在聚合物中使用了非常特殊的化學反應和非常特殊的動態鍵，但我們認為該平臺可以重新配置以與許多其他化學方法一起使用，以調節電導率和機械性能。”