麻省理工学院工程师朝向全固体锂电池

使用专业设备，麻省理工学院团队确实测试了它们使用金字塔尖探针来缩进硫化物基材料的表面。围绕所得压痕（在中心看到），在材料中形成裂缝（由箭头表示），揭示其机械性能的细节。

首次，来自麻省理工学院的工程师团队探讨了硫化物的固体电解质材料的力学性能，以确定其在电池中时的机械性能。

大多数电池由称为电极的两个固体，电化学活性层组成，由注入液体或凝胶电解质的聚合物膜分离。但最近的研究探讨了全固态电池的可能性，其中液体（和潜在易燃）电解质将被固体电解质代替，这可以提高电池的能量密度和安全性。

新的调查结果本周在杂志上发表在杂志上的高级能源材料中，弗兰克麦克里昂和坦尔·斯普利，都是麻省理工学院研究生; Krystyn Van Vliet，Michael（1949）和Sonja Koerner材料科学与工程教授;然而明明蒋介格材料科学与工程教授;还有四个，包括由MIT材料科学与工程技术中心管理的本科（REU）计划的全国科学基金会研究经验，包括本科参与者及其材料加工中心。

锂离子电池提供了一种轻量级的能量存储解决方案，该解决方案已经启用了许多当今的高科技设备，从智能手机到电动汽车。但是用这种电池中的固体电解质用固体电解质代替常规液体电解质可以具有显着的优点。这种全固态锂离子电池可以在电池组水平下提供更大的储能能力，磅为磅。它们还可以实际上消除了称为枝形的微小的指状金属突起的风险，该突起可以通过电解质层生长并导致短路。

“所有固体组件的电池都是性能和安全的有吸引力的选择，但仍然存在几个挑战，”van Vliet说。在当今市场支配市场的锂离子电池中，锂离子通过液体电解质以在电池充电时从一个电极到另一个电极，然后在使用时流过相反的方向。这些电池非常有效，但“液体电解质往往是化学上不稳定的，甚至可以是易燃的，”她说。“所以，如果电解质是固体，它可能更安全，以及更小和更轻。”

但是关于使用这种全固态电池的大问题是在电解质材料中可能发生的类型的机械应力作为电极反复充电和放电。随着锂离子进出和流出其晶体结构，该循环使电极膨胀和收缩。在僵硬的电解质中，这些尺寸变化可导致高应力。如果电解质也很脆，那么尺寸的恒定变化会导致裂缝快速降低电池性能，甚至可以提供用于损坏树突的通道，以便它们在液体电解质电池中进行。但是如果材料耐骨折，则可以容纳那些应力而不会快速开裂。

但到目前为止，硫化硫醚对正常实验室空气的极端敏感性对测量包括其断裂韧性的机械性能构成挑战。为了规避这一问题，研究团队的成员在矿物油浴中进行了机械测试，保护样品免受任何与空气或水分的化学相互作用。使用该技术，它们能够获得锂导电硫化物的机械性能的详细测量，这被认为是全固态电池中的电解质的有希望的候选者。

“在那里有很多不同的候选候选者，”麦格隆说。其他组研究了锂离子导电氧化物的机械性能，但是硫化物迄今为止迄今为止几乎没有作用，即使这些尤其承担，因为它们容易且快速地进行锂离子。

以前的研究人员使用了声学测量技术，通过材料通过材料来探测其机械行为，但该方法不会量化对骨折的抗性。但新的研究，它使用细小尖端的探头来戳进入材料并监测其响应，提供了一个更完整的重要特性的图片，包括硬度，裂缝韧性和杨氏模量（衡量材料的延伸能力的衡量标准在应用的压力下可逆地）。

“研究基团已经测量了基于硫化物的固体电解质的弹性性质，但不是骨折性质，”Van Vliet说。后者对于预测在电池应用中使用时材料是否可能破裂或粉碎的关键是至关重要的。

研究人员发现，该材料具有与硅腻子或盐水不含类似的特性的组合：当受到压力时，它可以容易地变形，但在足够高的应力下，它可以像脆性玻璃一样裂起。

通过详细了解这些属性，“您可以计算材料在它骨折之前可以容忍的压力，”和设计电池系统，以这种信息为单位的，请记住。

McGrogan说，这些材料从它的性能所示的理想下来是理想的，而且只要它的性能是相应的，它仍然可能具有这种用途的潜力。“你必须围绕这种知识设计。”

“最先进的锂离子电池的循环寿命主要受液体电解质的化学/电化学稳定性以及它如何与电极相互作用，”大学机械工程教授Jeff Sakamoto说密歇根州没有参与这项工作。“然而，在固态电池中，机械降解可能会控制稳定性或耐用性。因此，了解固态电解质的机械性能非常重要，“他说。

Sakamoto补充说，“与最先进的石墨阳极相比，”锂金属阳极表现出容量的显着增加。与[常规]锂离子技术相比，这可以转化为能量密度的大约100％的增加。“

该研究团队还包括麻省理工学院研究人员Sean主教，Erica Eggleton，Lukas Porz和新威陈。这项工作得到了美国能源部基础能源办公室的基本能源科学机械机构，用于远程均衡界面的化学机械。

出版物：Frank P. McGrogan等，“符合Li2S-P2S5锂离子导电固体电解质的”柔顺但脆性机械行为“，”2017年高级能源材料“; DOI：10.1002 / AENM.201602011