美國研發(fā)新型柔軟固體電解質，可延長電動汽車續(xù)航

為了研發(fā)能夠讓電動汽車（EV）的續(xù)航里程達到數(shù)百英里的可充電電池，科學家們都致力于用鋰金屬陽極取代現(xiàn)有電動汽車電池中使用的石墨陽極。

但是，雖然鋰金屬可以將電動汽車的續(xù)航增加30%至50%，其也會縮短電池的使用壽命。因為會產生鋰枝晶（樹突），即電池多次充放電循環(huán)后在鋰陽極上形成的微小的樹狀缺陷。更糟糕的是，如果樹突與陰極接觸，還會導致電池短路。

幾十年來，研究人員一直認為堅硬的固體電解質，如陶瓷制成的電解質，最能防止樹突穿透電池。不過，很多人也發(fā)現(xiàn)，此種方法的問題在于，其沒有從一開始就阻止樹突的“形成”或“成核”，就像最終會在汽車擋風玻璃上擴散的小裂縫一樣。

現(xiàn)在，據(jù)外媒報道，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員與卡內基梅隆大學（Carnegie Mellon University）合作，研發(fā)了一種新型的柔軟固體電解質。此種電解質由聚合物和陶瓷制成，可以在樹突擴散以導致電池失效之前，抑制樹突在早期成核。

該項技術是伯克利國際實驗室在其用戶設施開展多學科合作，研究新想法，以組裝、表征和研發(fā)用于固態(tài)電池中的材料和設備的一個示例。

固態(tài)儲能技術，如采用固態(tài)電極和固態(tài)電解質的固態(tài)鋰金屬電池，既具有高能量密度，也具有優(yōu)異的安全性，但是該技術還需要克服各種與材料和加工相關的挑戰(zhàn)。研究人員則表示，采用新電解質研發(fā)出的鋰金屬電池甚至可以用于驅動電動飛機。

設計此種柔軟固體電解質的關鍵是采用了具有微孔的軟聚合物（PIM），其孔隙由納米大小的陶瓷顆粒填充。由于該電解質仍然是一種靈活、柔軟的固體材料，電池制造商可以將該電解質作為一個層壓板，在陽極和電池隔膜之間制造出一卷鋰箔。此類鋰電極子組件（LESA）是一種很有前景的替代品，可直接取代傳統(tǒng)的石墨陽極，讓電池制造商得以采用現(xiàn)有的生產線生產新電池。

為了展示新款PIM復合材料電解質的樹突壓制性能，研究人員采用伯克利國家實驗室先進光子源（Berkeley Lab‘s Advanced Light Source）的X射線，創(chuàng)建鋰金屬和電解質之間界面的3D圖像，并將在高電流下長達16個小時的鋰電鍍和鋰剝離過程實現(xiàn)可視化。當新的PIM復合電解質出現(xiàn)時，可以觀察到鋰在連續(xù)平穩(wěn)地增長；當沒有此種電解質時，界面顯示出樹突開始早期生長的跡象。

上述結果和其他數(shù)據(jù)都證實了鋰金屬電沉積物理模型的預測，該模型既考慮到了固體電解質的化學特性，也考慮到了機械特性。

研究人員表示：“雖然電動汽車和電動垂直起降飛機（eVTOL）等具有獨特的功率要求，但是PIM復合固體電解質技術是多功能的，可以在高功率下工作。”