普林斯顿大学发现隐藏缺陷为电动汽车提供更好的固态电池

与传统的锂离子电池相比，固态电池的充电速度更快，续航里程更长，使用寿命更长，可以在电动汽车中发挥重要作用。然而，由于目前有限的制造和材料加工技术，固态电池容易退化。据国外媒体报道，研究人员发现了一个导致电池退化的隐藏缺陷。接下来，将针对这些缺陷设计材料和技术，生产下一代电池。

在固态电池中，带电粒子在固体材料中运动。在传统的锂离子电池中，离子在液体中运动。根据这一新发现，虽然固态电池具有优势，但固态材料的局部变化或微小缺陷都会导致电池磨损或短路。

普林斯顿大学安德林格能源和环境中心的研究员凯尔西·哈泽尔(Kelsey Hatzell)说:“如果你想让离子在空间的每一点都以相同的速度移动，那么使用均匀的材料就很重要。”

研究人员利用阿贡国家实验室的高科技工具，检测和跟踪电池中纳米级材料在实际充放电时的变化。研究团队代表普林斯顿工程、范德堡大学、阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室，讨论了电池固体电解质中由晶体组成的粒子。这是电池的核心部分，电荷通过固体电解质移动。

电池的电能储存在电极材料中，包括正极和负极。当电池释放能量为车辆提供动力时，带电粒子将穿过电池到达正极。或固体电解质是正负电极之间离子的移动路径。没有电解质，离子就不能在正负电极之间移动并储存能量。

在固态电池中，电解质通常是陶瓷或致密玻璃。使用固体电解质的固态电池可以使用锂金属等能量密度更高的材料，使电池更轻、更小。对于电动汽车等交通应用，重量、体积和充电容量是关键因素。此外，固态电池比其他类型的电池更安全，更不容易着火。

以前研究人员认为固态电池的电解液容易降解，而且似乎降解是随机的。在这项研究中，研究人员怀疑固态电池的退化不是随机的，而是由电解质中晶体结构的变化引起的。为了探索这一假设，研究人员使用阿贡实验室的同步加速器，借助强大的X射线观察电池的运行状态。用X射线成像和高能衍射在埃尺度上研究了石榴石电解质的晶体结构。因此，研究人员可以从晶体层面研究石榴石的变化。

石榴石电解质由颗粒积木组成。在单一电解质中几乎有30，000种不同的颗粒。研究人员发现，在这3万个颗粒中，主要有两种结构排列可以以不同的速度移动离子。此外，Hatzell表示，这些不同的形式或结构“可能会导致应力梯度，导致离子向不同方向移动，或者使离子远离细胞部分。”

研究人员认为，电池中带电离子的运动就像水顺流而下，遇到岩石后再改变方向。有大量离子通过的区域往往具有较高的压力。Hatzell说:“如果让所有的离子都通过一个区域，会导致电池的快速退化。为了建造一个可以持续数千次充电循环的电池，需要控制电解液中离子运动的位置和方式。”

通过制造技术和添加少量不同的化学物质，可以控制颗粒的一致性，从而稳定电解液中的晶体形态。研究人员表示，“关于如何避免异质性，有许多未经验证的假设。当然，这是有挑战性的，但也不是不能解决。”

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