电池里有钟乳石和石笋？

新的研究可能会导致更持久的电池

 

它们被认为是电池研究的“圣杯”：所谓的“固态电池”。它们不再像今天的电池那样具有液态核心，而是由固态材料组成。这带来了几个优势：除其他外，这些电池更难点燃，也可以在微型规模上制造。科学家们现在已将注意力转向此类电池的生命周期和减少它的目标过程。根据他们的发现，未来可以实现更耐用的固态电池。

无论是电动汽车、手机还是无绳螺丝刀，许多日常使用的设备现在都使用可充电电池。然而，这种趋势也有其不利之处。例如，某些手机被禁止带上飞机，或电动汽车起火。现代商用锂离子电池对机械应力很敏感。

所谓的“固态电池”可以提供补救措施。这些不再包含液体核心——所谓的电解质——而是完全由固体材料组成，例如陶瓷离子导体。因此，它们机械坚固、不易燃、易于小型化并且对温度波动不敏感。

但是固态电池在经过几次充放电循环后就暴露了它们的问题：虽然电池的正负极在开始时仍然相互电隔离，但最终它们通过电池内部过程相互电连接：“锂树突”在电池中缓慢生长。这些锂枝晶在每次充电过程中一步步生长，直到两极相连。结果：电池短路并“死亡”。然而，到目前为止，在这个过程中发生的确切物理过程还没有得到很好的理解。

由 Hans-Jürgen Butt 部门的 Rüdiger Berger 领导的团队现在已经解决了这个问题，并使用特殊的显微镜方法更详细地研究了这个过程。他们研究了锂枝晶从何处开始生长的问题。是不是像在流石洞里，洞顶长出钟乳石，洞底长出石笋，在中间汇合，形成所谓的“石笋”？电池没有顶部和底部——但树突是从负极长到正极还是从正极长到负极？还是它们从两极平均增长？还是电池中有特殊的地方会导致成核，然后从那里开始树枝状生长？

Rüdiger Berger 的团队特别研究了陶瓷固体电解质中所谓的“晶界”。这些边界是在固体层的生产过程中形成的：陶瓷晶体中的原子基本上非常规则地排列。然而，由于晶体生长中的微小随机波动，会在原子不规则排列的位置形成线状结构——即所谓的“晶界”。

这些晶界可以用他们的显微镜方法——“开尔文探针力显微镜”——用尖锐的尖端扫描表面。与 Rüdiger Berger 一起工作的博士生朱超说：“如果固态电池充电，开尔文探针力显微镜会看到电子沿着晶界聚集——尤其是在负极附近。” 后者表明晶界不仅改变了陶瓷原子的排列，也改变了它们的电子结构。

由于电子的积累——即负粒子——在固体电解质中移动的带正电的锂离子可以被还原成金属锂。结果：锂沉积物和锂枝晶形成。如果重复充电过程，枝晶会继续生长，直到最后电池的两极连接起来。这种枝晶生长初始阶段的形成仅在负极观察到——也仅在该极观察到。在相反的正极没有观察到生长。

科学家们希望通过对生长过程的精确了解，也能够开发出有效的方法来阻止或至少限制负极的生长，以便将来也可以使用更安全的锂固态电池在宽带应用中。