麻省理工学院(MIT)研究人员的一项发现可能最终为设计一种新型可充电锂电池打开了大门，这种电池比现有的版本更轻、更紧凑、更安全，世界各地的实验室已经研究了多年。

电池技术这一潜在飞跃的关键在于，用更薄、更轻的固态陶瓷材料层取代位于正负电极之间的液体电解质，并用固态金属锂取代其中一个电极。这将大大减少电池的整体尺寸和重量，并消除与易燃液体电解质相关的安全风险。但这一探索一直受到一个大问题的困扰:树突。

树突(dendrite)这个名字来自拉丁语，意思是“分支”。树突是金属的突出物，可以在锂表面积聚，并渗透到固体电解质中，最终从一个电极穿过到另一个电极，导致电池短路。研究人员还无法就这些金属丝的产生原因达成一致，也没有在如何防止它们从而使轻量级固态电池成为实际选择方面取得很大进展。

这项由麻省理工学院教授蒋yet - ming Chiang、研究生Cole Fincher以及麻省理工学院和布朗大学的其他五人共同发表在《焦尔》杂志上的新研究似乎解决了导致树突状形成的原因这个问题。它还展示了如何防止树突穿过电解质。

蒋说，在该小组早期的工作中，他们有了一个“令人惊讶和意想不到的”发现，即用于固态电池的坚硬的固体电解质材料可以被锂穿透，锂是一种非常软的金属，在电池充放电过程中，锂离子在电池两侧移动。

这种离子的来回穿梭导致电极的体积发生变化。这不可避免地在固体电解质中造成压力，它必须与夹在它中间的两个电极完全接触。蒋说:“要沉积这种金属，体积必须扩大，因为你增加了新的质量。”“因此，锂沉积的电池一侧的体积增加了。如果存在微小的缺陷，就会对这些缺陷产生压力，从而导致开裂。”

该团队现在证明，这些压力导致了裂缝，使树突得以形成。解决这个问题的方法是施加更多的压力，在正确的方向上施加适量的力。

此前，一些研究人员认为树突是由纯电化学过程而不是机械过程形成的，但该团队的实验证明，是机械压力导致了问题。

树突的形成过程通常发生在电池不透明材料的深处，无法直接观察到，因此Fincher开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法，可以直接看到和记录整个过程。他说:“当你对系统施加压力时，你可以看到发生了什么，你可以看到树突的行为是否与腐蚀过程或断裂过程相适应。”

该团队证明，他们可以直接通过施加和释放压力来操纵树突的生长，使树突与力的方向完美地对齐。

对固体电解质施加机械应力并不能消除枝晶的形成，但它确实控制了枝晶的生长方向。这意味着它们可以被引导保持与两个电极平行，并且永远不会越过另一边，因此是无害的。

在他们的测试中，研究人员使用了弯曲材料产生的压力，材料被形成一个一端有重量的梁。但他们表示，在实践中，可能有许多不同的方式来产生所需的压力。例如，电解质可以由具有不同热膨胀量的两层材料制成，因此材料有固有的弯曲，就像某些恒温器所做的那样。

另一种方法是将嵌入其中的原子“涂覆”材料，使其变形，使其永久处于应力状态。蒋解释说，这和生产智能手机和平板电脑屏幕上的超硬玻璃的方法是一样的。而且所需的压力并不极端:实验表明，150 - 200兆帕斯卡的压力足以阻止枝晶穿过电解质。

所需的压力“与商业薄膜生长过程和许多其他制造过程中通常产生的压力相称”，因此在实践中应该不难实现，芬奇补充道。

事实上，另一种不同的压力，称为堆叠压力，经常被应用在电池电池上，本质上是通过向垂直于电池板的方向挤压材料——有点像通过在三明治上施加重量来压缩它。人们认为这可能有助于防止地层分离。但是现在的实验已经证明，这个方向的压力实际上加剧了枝晶的形成。芬奇说:“我们发现，这种堆叠压力实际上加速了树突诱导的破坏。”

相反，我们需要的是沿着盘子的平面施加压力，就像三明治从两侧被挤压一样。“我们在这项工作中展示的是，当你施加一个压缩力时，你可以迫使树突沿着压缩的方向移动，”芬奇说，如果这个方向是沿着平板的平面，树突“永远不会到达另一边。”

这最终可能使使用固体电解质和金属锂电极生产电池成为现实。它们不仅能在给定的体积和重量中储存更多的能量，而且还能消除对液体电解质的需求，液体电解质是一种易燃材料。

蒋说，在演示了相关的基本原理之后，该团队的下一步将是尝试将这些原理应用到功能电池原型的创建中，然后明确需要什么样的制造过程才能大量生产这样的电池。他说，虽然他们已经申请了专利，但研究人员并不打算将该系统商业化，因为已经有公司在开发固态电池。他说:“我想说的是，这是对固态电池失效模式的理解，我们认为该行业需要意识到这一点，并试图利用它来设计更好的产品。”

该研究团队包括布朗大学的克里斯托·阿萨纳苏和布莱恩·谢尔登，以及麻省理工学院的科林·吉尔根巴赫、迈克尔·王和w·克雷格·卡特。这项工作得到了美国国家科学基金会、美国国防部、美国国防高级研究计划局和美国能源部的支持。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。