如果我們對(duì)于鋰在電池充電和放電過(guò)程中產(chǎn)生的壓力的響應(yīng)有充分的了解，會(huì)有助于我們生產(chǎn)高安全，高效率的電池。

材料科學(xué)與工程系StephenHackney教授和助理教授ErikHerbert正在致力于研究納米級(jí)鋰的性質(zhì)，以了解鋰金屬在壓力下是如何反應(yīng)的，并著眼于改善固態(tài)電池。

有一句古老的諺語(yǔ)說(shuō)：“在學(xué)習(xí)跑之前，你必須先學(xué)會(huì)走路。”盡管有先人這樣的智慧指導(dǎo)，但是目前仍然有許多行業(yè)忽視了扎實(shí)基礎(chǔ)，而是直接采取了馬拉松賽式發(fā)展方式，這些行業(yè)就包括電池行業(yè)。

鋰離子電池具有更好的儲(chǔ)能特性，但是，它們是不穩(wěn)定的。有關(guān)鋰離子電池安全的消息：特別是三星Galaxy7手機(jī)電池事故，眾所周知。

電池安全的大部分問(wèn)題源自電池內(nèi)部使用的易燃液體電解質(zhì)。改善這一問(wèn)題的一種方法是：選用不可燃的固體電解質(zhì)和鋰金屬電極。這不僅會(huì)增加電池的能量，同時(shí)還能降低電池火災(zāi)的發(fā)生。

基本上，科研人員的目標(biāo)是設(shè)計(jì)不會(huì)發(fā)生爆炸的下一代固態(tài)電池。所以我們要對(duì)鋰金屬進(jìn)行充分的了解。

Herbert補(bǔ)充說(shuō)：“很少有研究團(tuán)隊(duì)會(huì)對(duì)理解機(jī)械元件感興趣。但是，我們發(fā)現(xiàn)鋰本身的機(jī)械性能可能是解決這個(gè)難題的關(guān)鍵部分。“

密歇根理工大學(xué)的科學(xué)家在材料研究學(xué)會(huì)和劍橋大學(xué)出版社合作出版的“JournalofMaterialsResearch”上發(fā)表的三篇系列文章中，對(duì)鋰進(jìn)行了深入的了解，科研上做出了巨大貢獻(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)包括材料科學(xué)與工程教授Herbert和StephenHackney，以及密歇根理工大學(xué)的研究生VioletThole，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的NancyDudney和粉末冶金與新材料國(guó)際先進(jìn)研究中心的SudharshanPhani。他們科研的結(jié)果突出解釋了鋰在操縱下一代電池性能和安全性方面的機(jī)械行為的重要性。

鋰枝晶會(huì)破壞電池性能

鋰是一種非常活潑的金屬，因此容易受到不良行為的影響。但它也非常擅長(zhǎng)儲(chǔ)存能量。人們希望他們的手機(jī)、平板電腦以及其他電子產(chǎn)品可以進(jìn)行快速充電，并且待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。如此一來(lái)，電池制造商就面臨著兩大挑戰(zhàn)：一方面要使電池充電速度非常快，盡可能快地在陰極和陽(yáng)極之間傳遞電荷；另一方面又要保證在反復(fù)充電的情況下，電池的使用壽命以及安全可靠性。

鋰是一種非常軟的金屬，但在電池操作中，它的作用并不像預(yù)期的那樣。在電池充電和放電過(guò)程中會(huì)不可避免地發(fā)生壓力的增長(zhǎng)，導(dǎo)致樹(shù)突狀的鋰的微指狀物在固體電解質(zhì)隔膜和鋰陽(yáng)極之間的界面處填充預(yù)先存在且不可避免的微觀缺陷：孔、凹槽和劃痕等。

在連續(xù)循環(huán)過(guò)程中，這些樹(shù)枝狀晶體可以進(jìn)入并最終穿過(guò)物理上分隔陽(yáng)極和陰極的固體電解質(zhì)層。一旦枝晶進(jìn)入陰極，器件就會(huì)發(fā)生短路并發(fā)生故障，這種故障通常是災(zāi)難性的。

Herbert和Hackney的研究主要集中在鋰是如何緩解固態(tài)電池充電和放電過(guò)程中自然形成的壓力。

他們的研究記錄了鋰在亞微米長(zhǎng)度范圍內(nèi)的非凡行為，這是深入研究鋰的最小和最令人費(fèi)解的屬性。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)用金剛石探針刻蝕鋰膜使金屬變形來(lái)檢查金屬是如何對(duì)壓力作出反應(yīng)的。他們的研究結(jié)果證實(shí)了今年早些時(shí)候加州理工學(xué)院科學(xué)家發(fā)表的文章：關(guān)于小尺度鋰的高強(qiáng)度。

Herbert和Hackney在該研究的基礎(chǔ)上提供了對(duì)于鋰強(qiáng)度非常高的首次機(jī)械解釋。

為了減輕壓頭尖端施加的壓力，鋰能夠擴(kuò)散或重新排列其自身的離子或原子，這向科學(xué)家展示了鋰變形速度（這與鋰離子電池的充放電速度有關(guān)）的重要性，以及包括陽(yáng)極在內(nèi)的鋰離子排列中的缺陷和偏差的影響。

深入了解鋰的行為

在“高純度氣相沉積鋰膜的納米壓痕：彈性模量”一文中，科學(xué)家們測(cè)量了鋰的彈性性質(zhì)，以反映鋰離子的物理取向的變化。這些結(jié)果突出表明，需要將鋰取向相關(guān)的彈性特性納入所有未來(lái)的模擬工作中。Herbert和Hackney還提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，說(shuō)明鋰在小于500nm的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，可能具有更高的能力將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。

在隨后的文章中，Herbert和Hackney記錄了鋰在小于500nm的長(zhǎng)度范圍內(nèi)的超高強(qiáng)度，并給出了它們最初的輪廓。其目的是描述鋰的壓力管理能力是如何受擴(kuò)散和材料變形速度所控制的。這篇文章是：“高純度氣相沉積鋰膜的納米壓痕：擴(kuò)散中介導(dǎo)流動(dòng)的機(jī)理合理化”。

最后，在文章“高純度氣相沉積鋰膜的納米壓痕：從擴(kuò)散到位錯(cuò)介導(dǎo)流動(dòng)的過(guò)渡機(jī)理合理化”中，作者提供了一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型，解釋了鋰在何種條件下經(jīng)歷了突變，從而進(jìn)一步減輕了壓力。他們還提供了一個(gè)模型，直接將鋰的機(jī)械行為和電池的性能連接在了一起。

Herbert說(shuō)：“我們正試圖理解鋰在長(zhǎng)尺度上減輕壓力的機(jī)制，而這種壓力與界面缺陷是相稱(chēng)的。增強(qiáng)人們對(duì)這一重要問(wèn)題的理解，將直接促進(jìn)人們開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定的界面，有利于開(kāi)發(fā)出具有安全，長(zhǎng)期和高速率的循環(huán)性能的電池。

Herbert補(bǔ)充說(shuō)：“我希望我們的工作對(duì)人們?cè)噲D開(kāi)發(fā)下一代存儲(chǔ)設(shè)備的方向產(chǎn)生重大影響。”