(圖片來源：普林斯頓大學)

在固態(tài)電池中，帶電粒子(離子)在固體材料中移動。而在傳統(tǒng)的鋰離子電池中，離子通過液體移動。根據(jù)這項新發(fā)現(xiàn)，雖然固態(tài)電池具有優(yōu)勢，但固態(tài)材料中的局部變化或微小缺陷會導(dǎo)致電池磨損或短路。

普林斯頓大學安德林格能源和環(huán)境中心(Andlinger Center for Energy and the Environment)的研究人員Kelsey Hatzell表示：“如果希望離子在空間中的每一點都以相同的速度移動，使用均勻一致的材料，具有重要意義。”

研究人員利用阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的高科技工具，在電池實際充放電時檢測和跟蹤電池中的納米尺度材料變化。該研究團隊代表普林斯頓工程學院(Princeton Engineering)、范德比爾特大學(Vanderbilt)、阿貢國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Lab)，探討電池固態(tài)電解質(zhì)中由晶體組成的顆粒。這是電池的核心部分，電荷通過固態(tài)電解質(zhì)移動。

電池將電能儲存在電極材料中，包括正極和負極。當電池釋放能量為車輛供電時，帶電粒子(離子)會穿過電池到達正極。固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)是離子在正負極之間的移動路徑。沒有電解質(zhì)，離子就無法在正負極之間移動并儲存能量。

在固態(tài)電池中，電解質(zhì)通常是陶瓷或致密的玻璃。采用固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池，可以使用鋰金屬等能量密度更高的材料，并使電池更輕、更小。對于電動汽車等運輸應(yīng)用來說，重量、體積和充電能力是關(guān)鍵因素。而且固態(tài)電池比其他類型的電池更安全，更不易著火。

以前研究人員認為，固態(tài)電池的電解質(zhì)容易發(fā)生退化，而且似乎是隨機性的退化。在本項研究中，研究人員則懷疑，固態(tài)電池的退化不是隨機的，而是由電解質(zhì)中的晶體結(jié)構(gòu)變化引起的。為了探索這一假設(shè)，研究人員利用阿貢實驗室的同步加速器，借助強大的X射線來觀察電池運行狀態(tài)。通過結(jié)合X射線成像和高能衍射技術(shù)，在埃尺度上研究石榴石電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。因此，研究人員可以從晶體層面研究石榴石的變化。

石榴石電解質(zhì)由晶粒構(gòu)建塊組成。單獨的電解質(zhì)(直徑1mm)中幾乎有30,000個不同的晶粒。研究人員發(fā)現(xiàn)，在這30,000個晶粒中，主要有兩種結(jié)構(gòu)安排，可以不同的速度移動離子。此外，Hatzell表示，這些不同的形式或結(jié)構(gòu)“可能導(dǎo)致應(yīng)力梯度，導(dǎo)致離子向不同的方向移動，或者使離子遠離電芯部分。”

研究人員認為，帶電離子在電池中的移動，如同水順流而下，遇到巖石后則改變方向。有大量離子通過的區(qū)域往往壓力更高。Hatzell表示：“如果讓所有的離子通過一個區(qū)域，就會導(dǎo)致電池快速退化。為了構(gòu)建能夠持續(xù)數(shù)千次充電循環(huán)的電池，需要控制離子在電解質(zhì)中的移動位置和方式。”

通過制造技術(shù)和添加少量不同的化學物質(zhì)(稱為摻雜劑)，可以控制晶粒的一致性，從而穩(wěn)定電解質(zhì)中的晶體形態(tài)。研究人員表示，“關(guān)于如何避免異質(zhì)性，還有很多未經(jīng)檢驗的假設(shè)。當然這具有挑戰(zhàn)性，但也不是不可能解決的。”