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現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一個團隊第一次探究了硫化物基固體電解質(zhì)資料的機械功能，以斷定其結(jié)合到電池中時的機械功能。
新的研討結(jié)果發(fā)現(xiàn)在本周的“高級動力資料”雜志上宣布，該論文由麻省理工學(xué)院的研討生Frank McGrogan和Tushar Swamy，資料科學(xué)與工程教授Krystyn Van Vliet，資料科學(xué)與工程教授陳明清，別的四位包含由麻省理工學(xué)院資料科學(xué)與工程中心及其資料加工中心辦理的國家科學(xué)基金會本科研討經(jīng)驗（REU）的本科生。
鋰離子電池供給了一種輕量級的儲能解決方案，使許多當今的高科技設(shè)備可用，從智能手機到電動汽車。可是在這種電池中，用固體電解質(zhì)替代慣例的液體電解質(zhì)可具有明顯的長處。分量相當時，這種全固態(tài)鋰離子電池能夠在電池組等級供給乃至更大的能量存儲才能。它們還能夠基本上消除被稱為“樹突”的細小的，指狀的金屬突起帶來的危險，樹突能夠穿透電解質(zhì)層成長并導(dǎo)致短路。
“全固態(tài)電池是功能和安全性的有吸引力挑選，但仍有一些應(yīng)戰(zhàn)。”Van Vliet說。在當今商場占主導(dǎo)地位的鋰離子電池中，鋰離子在電池充電時經(jīng)過液體電解質(zhì)從一個電極抵達另一個電極，然后在運用時經(jīng)過相反的方向流過。“這些電池對錯常有用的，但液體電解質(zhì)具有化學(xué)不穩(wěn)定性，乃至是易燃的。”Van Vliet說。“所以，如果電解質(zhì)是固體會更安全，而且體積更小，分量更輕。”
可是運用這種全固體電池的大問題是當電極重復(fù)充電和放電時，電池內(nèi)部的電解質(zhì)資料可能發(fā)生什么樣的機械應(yīng)力。這種循環(huán)使得電極跟著鋰離子進入和脫離其晶體結(jié)構(gòu)而脹大和縮短。在剛性電解質(zhì)中，這些尺度改變可能導(dǎo)致較高應(yīng)力。如果電解質(zhì)也是脆性的，尺度的穩(wěn)定改變可導(dǎo)致裂紋，并迅速地下降電池功能，乃至可能發(fā)生利于損壞電池的樹突構(gòu)成的通道，如在液體電解質(zhì)電池中那樣。可是，如果資料抗開裂，那些應(yīng)力能夠在資料快速開裂前被吸納。
到目前為止，硫化物對正常實驗室空氣的極點敏感性對丈量其機械功能，包含開裂韌性提出了應(yīng)戰(zhàn)。為了防止這個問題，研討人員在礦物油浴中進行機械測驗，維護樣品免受與空氣或水分的任何化學(xué)相互作用。運用該技能，他們能夠具體丈量硫化鋰的機械功能，硫化鋰被認為是全固態(tài)電池電解質(zhì)最有期望的候選者。
“固體電解質(zhì)有許多不同的候選者，”McGrogan說。其他團體現(xiàn)已研討了鋰離子導(dǎo)電氧化物的機械功能，可是迄今為止對硫化物的研討很少，即便它們能夠快速地傳導(dǎo)鋰離子而十分具有潛力。
此前，研討人員運用聲學(xué)丈量技能，使聲波經(jīng)過資料以勘探其機械行為，可是該辦法不能量化資料對開裂的抵抗力。本項新研討工作運用細尖探針進入資料并監(jiān)測其呼應(yīng)，丈量出了資料更重要的功能，包含硬度，開裂韌性和楊氏模量（衡量資料的拉伸才能在施加應(yīng)力下可逆）。
“研討小組現(xiàn)已丈量了硫化物基固體電解質(zhì)的彈性功能，但沒有丈量開裂功能，”Van Vliet說。開裂功能關(guān)于猜測資料在電池中用作電解質(zhì)時是否可能決裂或破碎是至關(guān)重要的。
研討人員發(fā)現(xiàn)，該資料的歸納功能類似于橡皮泥或鹽水太妃糖的性質(zhì)組合：當飽嘗應(yīng)力時，它能夠容易地變形，可是在足夠高的應(yīng)力下它能夠像脆性玻璃片一樣裂開。
“經(jīng)過具體了解這些特點，你能夠核算資料在開裂之前能接受多大的應(yīng)力，而且在規(guī)劃電池體系時考慮到這些信息。”Van Vliet說。
事實證明，硫化物資料比電池運用的抱負資料更脆。“可是只要已知其性質(zhì)，而且體系規(guī)劃恰當，該資料依然能夠具有用作固態(tài)電解質(zhì)的潛力。”McGrogan說。“你有必要圍繞這個知識進行規(guī)劃。
