常規(guī)的鋰離子電池使用石墨構(gòu)成陽極，即電流進(jìn)入電池單元的電極。石墨自30年來一直是該任務(wù)的首選材料，因?yàn)樗亓枯p，穩(wěn)定，價(jià)格合理，并且可以承受無數(shù)次電池循環(huán)的考驗(yàn)。Greer，加州理工學(xué)院的RubenF.和DonnaMettler的材料科學(xué)，力學(xué)和醫(yī)學(xué)工程教授以及Kavli納米科學(xué)研究所的FletcherJones基金會(huì)理事說，假如只能克服一些技術(shù)挑戰(zhàn)，那就可以找到更好的材料。

她說：使用鋰而不是石墨陽極的電池，每個(gè)要功率的應(yīng)用都會(huì)受益，因?yàn)樗鼈兛梢怨?yīng)更多的功率，她說。鋰是輕質(zhì)的，它不占用太多空間，而且能量密度極大。

但是這里是鋰金屬的問題：當(dāng)電池經(jīng)過許多次充放電循環(huán)時(shí)，鋰自然形成樹枝狀晶體，這些晶體形成一種分支狀的樹狀結(jié)構(gòu)。在電池充電過程中，樹枝狀晶體在鋰金屬電池中無法控制地生長，并且可以像細(xì)線相同用途，當(dāng)它們穿透系統(tǒng)時(shí)會(huì)短路并殺死電池。

格雷爾說，研究人員長期以來一直在尋找防止這種上升的新方法。一種可能的方法是將某些物體物理地壓在鋰金屬上以抑制枝晶。盡管典型的鋰離子電池具有液態(tài)電解質(zhì)(將兩個(gè)電池電極分開并通過鋰離子移動(dòng)的物質(zhì))，但是使用固態(tài)電解質(zhì)的電池理論上可以施加足夠的機(jī)械壓力來阻止枝晶。

然而，在對(duì)具有固體電解質(zhì)的電池進(jìn)行研究之后，樹枝狀晶體仍在生長。

格雷爾懷疑固態(tài)電解質(zhì)的強(qiáng)度不足以抵抗樹枝狀晶體的生長，因?yàn)檠芯咳藛T低估了尺寸為納米級(jí)的樹枝狀晶體的強(qiáng)度。他們低估了它，因?yàn)楹暧^鋰是一種相對(duì)軟的金屬，可與鉛和錫媲美。她說，小規(guī)模的金屬強(qiáng)度可能比大規(guī)模的金屬高100倍。

格雷爾說：假如您想到的是珠寶，例如金或銅，它的延展性很強(qiáng)。您可以用自己的雙手輕松地使其變形。他專門研究納米材料的機(jī)械性能。但是，當(dāng)減小相同金屬的尺寸時(shí)，強(qiáng)度可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

2015年，Greer和她的同事們雕刻了微小的鋰柱，并測試了它們的彈性，發(fā)現(xiàn)它們至少比人們想象的要強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。格雷爾說，實(shí)驗(yàn)設(shè)置并未完全反映出鋰枝晶在真實(shí)電池中的表現(xiàn)方式。為了更準(zhǔn)確地模擬這一點(diǎn)，她和她的合作者，包括格里爾實(shí)驗(yàn)室的校友邁克爾奇特林(MichaelCitrin)和博士后學(xué)者衡陽(HengYang)，以及FrontEdgeTechnology的西蒙尼爾(SimonNieh)，制造了一種電池，該電池設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)與純鋰枝晶非常相似的電池。在電池中形成。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些樹枝狀晶體的強(qiáng)度是散裝鋰的24倍。

有了這些信息，研究人員現(xiàn)在對(duì)使鋰陽極電池工作所需的條件有了更好的了解。格里爾說，這代表了一項(xiàng)重大的研究挑戰(zhàn)，因?yàn)榫酆衔锖吞沾?通常用于固體電解質(zhì)的材料)都有缺點(diǎn)。大多數(shù)聚合物太軟，無法承受樹枝狀晶體的生長，而陶瓷則容易在樹枝狀晶體施加的壓力下破裂。