固态电池被认为是储能领域的下一个前沿技术，尤其是在电动汽车领域。与目前的液态电解质电池相比，固态电池由于不易燃，具有充电速度更快、续航里程更长、运行更安全等优势。然而，锂枝晶一直是阻碍其商业化进程的一大难题。

枝晶是锂金属细丝，在电池电解液（电池中分隔正负极的部分）内，于高电流充电过程中生长。当枝晶穿过电解液生长时，会在电池正负极之间形成回路，从而损坏电池。因此，尽管理论上固态电解质可以实现比液态电解质更快的充电速度，但枝晶问题是迄今为止阻碍固态电解质发挥其全部潜力的主要限制因素之一。

图片来源： 布朗大学

基于温度的解决方案

据外媒报道，布朗大学（Brown University）工程师的一项新研究发现了一种简单的策略，可以在下一代固态锂电池开发中抑制枝晶生长。

相关研究论文发表在期刊《Joule》上。研究人员发现，电解质两侧的温差产生的机械应力可以显著抑制枝晶的形成，从而大幅提升无枝晶充电性能。

“枝晶是困扰下一代固态电池的最大挑战之一，”布朗大学工程学院研究生、论文第一作者Zikang Yu表示，“但我们证明，温度引起的机械应力可以有效地抑制枝晶的生长。仅需20度的温度梯度，我们就能将电池的充电性能提升三倍。”

实验方法

这项研究中，隶属于布朗大学可持续能源倡议组织的科研人员测试了采用锂金属电极的电池系统，电极之间以固态电解质LLZTO（Li₆.₄La₃Zr₁.₅Ta₀.₅O₁₂）隔开。LLZTO是一种以高离子电导率著称的材料，但同时也存在在高充电速率下容易形成枝晶的问题。研究人员使用陶瓷加热环加热电解质的一侧，并使用铜制散热片冷却另一侧。

“加热物体时，它会膨胀，”该研究的通讯作者、工程学教授Brian Sheldon解释说，“但如果你加热一侧的温度高于另一侧，膨胀就会受到较冷一侧的限制，从而导致其压缩。这就是关键所在。”

测试表明，热压缩显著降低了枝晶的生长，即使是在易生枝晶的材料中也是如此。施加压缩后，LLZTO电解质的临界电流密度（即其在不发生故障的情况下所能承受的最大充电电流）提高了三倍。

对未来电池设计的影响

Yu表示，他希望这项研究能为固态电池中的枝晶问题找到切实可行的解决方案。

“我们认为这项技术有潜力应用于实际的电池中，”Yu表示。“电池在循环过程中会产生热量，而热管理系统正是用来处理这些热量的。我们认为，或许可以通过调整热结构，使其产生我们在这项研究中观察到的那种梯度。”

参与该研究理论部分工作的工程系研究生兼论文共同作者Chenjie Gan表示，这些令人鼓舞的结果激励着团队继续探索他们的研究方法。“这项实验验证了我们的理论工作，”Chenjie Gan表示，“我们现在可以考虑提出最佳的材料属性和加载条件，以充分利用这种效应。这是我们未来研究的方向。”