(圖片來源：普林斯頓大學(xué))

在固態(tài)電池中，帶電粒子(離子)在固體材料中移動(dòng)。而在傳統(tǒng)的鋰離子電池中，離子通過液體移動(dòng)。根據(jù)這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)，雖然固態(tài)電池具有優(yōu)勢(shì)，但固態(tài)材料中的局部變化或微小缺陷會(huì)導(dǎo)致電池磨損或短路。

普林斯頓大學(xué)安德林格能源和環(huán)境中心(Andlinger Center for Energy and the Environment)的研究人員Kelsey Hatzell表示：“如果希望離子在空間中的每一點(diǎn)都以相同的速度移動(dòng)，使用均勻一致的材料，具有重要意義。”

研究人員利用阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)的高科技工具，在電池實(shí)際充放電時(shí)檢測(cè)和跟蹤電池中的納米尺度材料變化。該研究團(tuán)隊(duì)代表普林斯頓工程學(xué)院(Princeton Engineering)、范德比爾特大學(xué)(Vanderbilt)、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Lab)，探討電池固態(tài)電解質(zhì)中由晶體組成的顆粒。這是電池的核心部分，電荷通過固態(tài)電解質(zhì)移動(dòng)。

電池將電能儲(chǔ)存在電極材料中，包括正極和負(fù)極。當(dāng)電池釋放能量為車輛供電時(shí)，帶電粒子(離子)會(huì)穿過電池到達(dá)正極。固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)是離子在正負(fù)極之間的移動(dòng)路徑。沒有電解質(zhì)，離子就無法在正負(fù)極之間移動(dòng)并儲(chǔ)存能量。

在固態(tài)電池中，電解質(zhì)通常是陶瓷或致密的玻璃。采用固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池，可以使用鋰金屬等能量密度更高的材料，并使電池更輕、更小。對(duì)于電動(dòng)汽車等運(yùn)輸應(yīng)用來說，重量、體積和充電能力是關(guān)鍵因素。而且固態(tài)電池比其他類型的電池更安全，更不易著火。

以前研究人員認(rèn)為，固態(tài)電池的電解質(zhì)容易發(fā)生退化，而且似乎是隨機(jī)性的退化。在本項(xiàng)研究中，研究人員則懷疑，固態(tài)電池的退化不是隨機(jī)的，而是由電解質(zhì)中的晶體結(jié)構(gòu)變化引起的。為了探索這一假設(shè)，研究人員利用阿貢實(shí)驗(yàn)室的同步加速器，借助強(qiáng)大的X射線來觀察電池運(yùn)行狀態(tài)。通過結(jié)合X射線成像和高能衍射技術(shù)，在埃尺度上研究石榴石電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。因此，研究人員可以從晶體層面研究石榴石的變化。

石榴石電解質(zhì)由晶粒構(gòu)建塊組成。單獨(dú)的電解質(zhì)(直徑1mm)中幾乎有30,000個(gè)不同的晶粒。研究人員發(fā)現(xiàn)，在這30,000個(gè)晶粒中，主要有兩種結(jié)構(gòu)安排，可以不同的速度移動(dòng)離子。此外，Hatzell表示，這些不同的形式或結(jié)構(gòu)“可能導(dǎo)致應(yīng)力梯度，導(dǎo)致離子向不同的方向移動(dòng)，或者使離子遠(yuǎn)離電芯部分。”

研究人員認(rèn)為，帶電離子在電池中的移動(dòng)，如同水順流而下，遇到巖石后則改變方向。有大量離子通過的區(qū)域往往壓力更高。Hatzell表示：“如果讓所有的離子通過一個(gè)區(qū)域，就會(huì)導(dǎo)致電池快速退化。為了構(gòu)建能夠持續(xù)數(shù)千次充電循環(huán)的電池，需要控制離子在電解質(zhì)中的移動(dòng)位置和方式。”

通過制造技術(shù)和添加少量不同的化學(xué)物質(zhì)(稱為摻雜劑)，可以控制晶粒的一致性，從而穩(wěn)定電解質(zhì)中的晶體形態(tài)。研究人員表示，“關(guān)于如何避免異質(zhì)性，還有很多未經(jīng)檢驗(yàn)的假設(shè)。當(dāng)然這具有挑戰(zhàn)性，但也不是不可能解決的。”