如果我們對于鋰在電池充電和放電過程中產(chǎn)生的壓力的響應(yīng)有充分的了解，會(huì)有助于我們生產(chǎn)高安全，高效率的電池。

材料科學(xué)與工程系StephenHackney教授和助理教授ErikHerbert正在致力于研究納米級鋰的性質(zhì)，以了解鋰金屬在壓力下是如何反應(yīng)的，并著眼于改善固態(tài)電池。

有一句古老的諺語說：“在學(xué)習(xí)跑之前，你必須先學(xué)會(huì)走路。”盡管有先人這樣的智慧指導(dǎo)，但是目前仍然有許多行業(yè)忽視了扎實(shí)基礎(chǔ)，而是直接采取了馬拉松賽式發(fā)展方式，這些行業(yè)就包括電池行業(yè)。

鋰離子電池具有更好的儲(chǔ)能特性，但是，它們是不穩(wěn)定的。有關(guān)鋰離子電池安全的消息：特別是三星Galaxy7手機(jī)電池事故，眾所周知。

電池安全的大部分問題源自電池內(nèi)部使用的易燃液體電解質(zhì)。改善這一問題的一種方法是：選用不可燃的固體電解質(zhì)和鋰金屬電極。這不僅會(huì)增加電池的能量，同時(shí)還能降低電池火災(zāi)的發(fā)生。

基本上，科研人員的目標(biāo)是設(shè)計(jì)不會(huì)發(fā)生爆炸的下一代固態(tài)電池。所以我們要對鋰金屬進(jìn)行充分的了解。

Herbert補(bǔ)充說：“很少有研究團(tuán)隊(duì)會(huì)對理解機(jī)械元件感興趣。但是，我們發(fā)現(xiàn)鋰本身的機(jī)械性能可能是解決這個(gè)難題的關(guān)鍵部分。“

密歇根理工大學(xué)的科學(xué)家在材料研究學(xué)會(huì)和劍橋大學(xué)出版社合作出版的“JournalofMaterialsResearch”上發(fā)表的三篇系列文章中，對鋰進(jìn)行了深入的了解，科研上做出了巨大貢獻(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)包括材料科學(xué)與工程教授Herbert和StephenHackney，以及密歇根理工大學(xué)的研究生VioletThole，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的NancyDudney和粉末冶金與新材料國際先進(jìn)研究中心的SudharshanPhani。他們科研的結(jié)果突出解釋了鋰在操縱下一代電池性能和安全性方面的機(jī)械行為的重要性。

鋰枝晶會(huì)破壞電池性能

鋰是一種非常活潑的金屬，因此容易受到不良行為的影響。但它也非常擅長儲(chǔ)存能量。人們希望他們的手機(jī)、平板電腦以及其他電子產(chǎn)品可以進(jìn)行快速充電，并且待機(jī)時(shí)間長。如此一來，電池制造商就面臨著兩大挑戰(zhàn)：一方面要使電池充電速度非常快，盡可能快地在陰極和陽極之間傳遞電荷；另一方面又要保證在反復(fù)充電的情況下，電池的使用壽命以及安全可靠性。

鋰是一種非常軟的金屬，但在電池操作中，它的作用并不像預(yù)期的那樣。在電池充電和放電過程中會(huì)不可避免地發(fā)生壓力的增長，導(dǎo)致樹突狀的鋰的微指狀物在固體電解質(zhì)隔膜和鋰陽極之間的界面處填充預(yù)先存在且不可避免的微觀缺陷：孔、凹槽和劃痕等。

在連續(xù)循環(huán)過程中，這些樹枝狀晶體可以進(jìn)入并最終穿過物理上分隔陽極和陰極的固體電解質(zhì)層。一旦枝晶進(jìn)入陰極，器件就會(huì)發(fā)生短路并發(fā)生故障，這種故障通常是災(zāi)難性的。

Herbert和Hackney的研究主要集中在鋰是如何緩解固態(tài)電池充電和放電過程中自然形成的壓力。

他們的研究記錄了鋰在亞微米長度范圍內(nèi)的非凡行為，這是深入研究鋰的最小和最令人費(fèi)解的屬性。該團(tuán)隊(duì)通過用金剛石探針刻蝕鋰膜使金屬變形來檢查金屬是如何對壓力作出反應(yīng)的。他們的研究結(jié)果證實(shí)了今年早些時(shí)候加州理工學(xué)院科學(xué)家發(fā)表的文章：關(guān)于小尺度鋰的高強(qiáng)度。

Herbert和Hackney在該研究的基礎(chǔ)上提供了對于鋰強(qiáng)度非常高的首次機(jī)械解釋。

為了減輕壓頭尖端施加的壓力，鋰能夠擴(kuò)散或重新排列其自身的離子或原子，這向科學(xué)家展示了鋰變形速度（這與鋰離子電池的充放電速度有關(guān)）的重要性，以及包括陽極在內(nèi)的鋰離子排列中的缺陷和偏差的影響。

深入了解鋰的行為

在“高純度氣相沉積鋰膜的納米壓痕：彈性模量”一文中，科學(xué)家們測量了鋰的彈性性質(zhì)，以反映鋰離子的物理取向的變化。這些結(jié)果突出表明，需要將鋰取向相關(guān)的彈性特性納入所有未來的模擬工作中。Herbert和Hackney還提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，說明鋰在小于500nm的長度范圍內(nèi)，可能具有更高的能力將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。

在隨后的文章中，Herbert和Hackney記錄了鋰在小于500nm的長度范圍內(nèi)的超高強(qiáng)度，并給出了它們最初的輪廓。其目的是描述鋰的壓力管理能力是如何受擴(kuò)散和材料變形速度所控制的。這篇文章是：“高純度氣相沉積鋰膜的納米壓痕：擴(kuò)散中介導(dǎo)流動(dòng)的機(jī)理合理化”。

最后，在文章“高純度氣相沉積鋰膜的納米壓痕：從擴(kuò)散到位錯(cuò)介導(dǎo)流動(dòng)的過渡機(jī)理合理化”中，作者提供了一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型，解釋了鋰在何種條件下經(jīng)歷了突變，從而進(jìn)一步減輕了壓力。他們還提供了一個(gè)模型，直接將鋰的機(jī)械行為和電池的性能連接在了一起。

Herbert說：“我們正試圖理解鋰在長尺度上減輕壓力的機(jī)制，而這種壓力與界面缺陷是相稱的。增強(qiáng)人們對這一重要問題的理解，將直接促進(jìn)人們開發(fā)出穩(wěn)定的界面，有利于開發(fā)出具有安全，長期和高速率的循環(huán)性能的電池。

Herbert補(bǔ)充說：“我希望我們的工作對人們試圖開發(fā)下一代存儲(chǔ)設(shè)備的方向產(chǎn)生重大影響。”