电池中的金属树：如何使存储更好

电池韧性：了解固态电池中短路如何发生可以延长其使用寿命。

它们可能是下一代所谓的“固态”电池。它们完全由固体材料制成，两极之间没有液体介质，就像今天的电池一样。这些类型的电池可以扩大电动汽车的续航里程，使它们更安全，因为它们可以储存更多的电力并且不易燃。

然而，到目前为止，他们的寿命有限。

马克斯普朗克聚合物研究所的一个团队研究了缩短寿命的过程。它的发现可能有助于制造更持久的固态电池。

无论是电动汽车、手机还是无绳螺丝刀，许多设备都使用可充电电池。随着电动汽车变得越来越普遍，需求也会增加。

然而，偶尔，电动汽车和手机中常用的锂电池会意外起火。这就是为什么某些手机不允许带上飞机的原因。此外，普通的充电电池对冲击和冲击很敏感。

固态电池，或也称为固态蓄电池，可以解决这个问题。它们省去了在电池两极之间传导电流的液体电解质，而是使用固体材料，例如含锂陶瓷离子导体。

这使得它们不易燃，机械坚固，对温度波动不敏感。此外，它们具有更大的存储容量，并且易于小型化。这不仅使它们在电动汽车中使用很有趣，而且在需要特别小电池的新应用中也很有趣，例如在微型机器人中。

电池中的钟乳石和石笋形成?

然而，到目前为止，锂固态电池的寿命相当短。这是因为锂枝晶在每个充电过程中都在电池的正极和负极之间生长。

这些分支的树状金属地层在几次充电和放电循环后使电池短路。长期以来，人们一直不清楚树突究竟是如何形成的。

这就是为什么由马克斯普朗克聚合物研究所的研究小组Rüdiger Berger领导的团队现在使用特殊的显微镜方法研究了这些过程。

研究人员主要对锂枝晶在哪里形成的问题感兴趣。钟乳石是否在两极形成，类似于钟乳石从天花板生长和石笋从石灰岩洞穴中的地板生长，直到它们在中间相遇?还是树突只在一极形成?电池中是否有可能的特殊位置作为树枝状生长的原子核?

在研究过程中，吕迪格伯格的团队特别关注陶瓷固态电解质中的晶界。这里的原子以与盐或金属相同的方式规则地排列自己。它们形成晶体 - 然而，不是单个晶体，而是许多小晶体颗粒，它们彼此略微偏移，导致它们之间形成晶界。

研究人员使用开尔文探针力显微镜，其中锋利的尖端扫描表面，以可视化充电过程中晶界处发生的情况。

“当固态电池充电时，开尔文探针力显微镜向我们显示电子沿着晶界积累 - 特别是在负极附近，”Rüdiger Berger团队的博士生Chao Zhu说。

枝晶在电子积累时发芽

积累的电子可以减少通过固体电解质的锂离子转化为金属锂。这会导致锂沉降，并形成锂枝晶。

随着每个充电过程，枝晶继续生长，直到最终使极短路。由于电子密度主要在负极增加，树突也只是在那里开始生长。

研究人员希望，了解有害金属树在固态电池中的生长方式将有助于阻止或至少控制它们的生长。

例如，一个起点可能是固态电解质的生产：“沿着晶界尽可能长地移动路径可能会有所帮助，”Rüdiger Berger说。

“这可以像砖墙一样完成。要做到这一点，电解质的晶粒必须以一种像砖块一样使它们短边和长边的方式生长。然后，较长的边必须垂直于电极之间的直接路径。

然而，到目前为止，尚不清楚固态电解质中的晶体形成是否以及如何以这种方式控制，以及固态电池的寿命是否真的可以通过这种方式延长。这必须在进一步的研究中进行调查。如果这些成功，固态电池将很有可能取代敏感的传统锂电池。