De flesta av dagens litiumjonbatterier, som driver allt från bilar till telefoner, använd en vätska som elektrolyt mellan två elektroder. Att istället använda en fast elektrolyt kan ge stora fördelar för både säkerhet och energilagringskapacitet, men försök att göra detta har ställts inför oväntade utmaningar.

Forskare rapporterar nu att problemet kan vara en felaktig tolkning av hur sådana batterier misslyckas. De nya rönen, vilket skulle kunna öppna nya vägar för att utveckla litiumbatterier med fasta elektrolyter, redovisas i journalen Avancerade energimaterial , i en tidning av Yet-Ming Chiang, Kyocera-professorn i keramik vid MIT; W. Craig Carter, POSCO professor i materialvetenskap och teknik vid MIT; och åtta andra.

Elektrolyten i ett batteri är materialet mellan de positiva och negativa elektroderna - en sorts fyllning i batterisandwichen. Närhelst batteriet laddas eller laddas ur, joner (elektriskt laddade atomer eller molekyler) passerar genom elektrolyten från en elektrod till den andra.

Men dessa flytande elektrolyter kan vara brandfarliga, och de har varit ansvariga för vissa bränder orsakade av sådana batterier. De är också benägna att bilda dendriter - tunna, fingerlika utsprång av metall som byggs upp från en elektrod och, om de når hela vägen över till den andra elektroden, kan skapa en kortslutning som kan skada batteriet.

Forskare har försökt komma runt dessa problem genom att använda en elektrolyt gjord av fasta material, som en del keramik. Detta kan eliminera brandfarlighetsproblemet och erbjuda andra stora fördelar, men tester har visat att sådana material tenderar att prestera något oregelbundet och är mer benägna att kortsluta än förväntat.

Problemet, enligt denna studie, är att forskare har fokuserat på fel egenskaper i deras sökande efter ett fast elektrolytmaterial. Den rådande tanken var att materialets fasthet eller squishiness (en egenskap som kallas skjuvmodul) avgjorde om dendriter kunde tränga in i elektrolyten. Men den nya analysen visade att det är ytans jämnhet som betyder mest. Mikroskopiska hack och repor på elektrolytens yta kan ge ett tåhåll för metallavlagringarna att börja tränga sig in, fann forskarna.

Detta föreslår, Chiang säger, att helt enkelt fokusera på att uppnå jämnare ytor skulle kunna eliminera eller avsevärt minska problemet med dendritbildning i batterier med en fast elektrolyt. Förutom att undvika brännbarhetsproblemet i samband med flytande elektrolyter, detta tillvägagångssätt skulle kunna göra det möjligt att använda en solid litiummetallelektrod också. Att göra det kan potentiellt fördubbla ett litiumjonbatteris energikapacitet – det vill säga, dess förmåga att lagra energi för en given vikt, vilket är avgörande för både fordon och bärbara enheter.

"Bildandet av dendriter, leder till eventuella kortslutningsfel, har varit huvudorsaken till att uppladdningsbara litium-metallbatterier inte har varit möjliga, " förklarar Chiang. (Litium-metallelektroder används ofta i icke-uppladdningsbara batterier, men det beror på att dendriter bara bildas under laddningsprocessen.)

Problemet med dendritbildning i litiumuppladdningsbara batterier upptäcktes först i början av 1970-talet, Chiang säger, "och 45 år senare har det problemet fortfarande inte lösts. Men målet är fortfarande lockande, " på grund av potentialen att fördubbla ett batteris kapacitet genom att använda litiummetallelektroder.

De senaste åren, ett antal grupper har försökt utveckla fasta elektrolyter som ett sätt att möjliggöra användningen av litiummetallelektroder. Det är två huvudtyper som arbetas med, Chiang säger:litiumfosforsulfider, och metalloxider. Med alla dessa forskningsansträngningar, en av de rådande tankarna var att materialet behövde vara styvt, inte elastisk. Men dessa material har tenderat att visa inkonsekventa och förvirrande resultat i laboratorietester.

Tanken var vettig, Chiang säger - ett styvare material borde vara mer motståndskraftigt mot något som försöker trycka in i dess yta. Men det nya verket, där teamet testade prover av fyra olika varianter av potentiella fasta elektrolytmaterial och observerade detaljerna om hur de presterade under laddnings- och urladdningscykler, visade att hur dendriter faktiskt bildas i styva fasta material följer en helt annan process än de som bildas i flytande elektrolyter.

På de fasta ytorna, litium från en av elektroderna börjar avsättas, genom en elektrokemisk reaktion, på någon liten defekt som finns på elektrolytens yta, inklusive små gropar, sprickor, och repor. När den första insättningen bildas på en sådan defekt, det fortsätter att byggas — och, förvånande, uppbyggnaden sträcker sig från dendritens spets, inte från dess bas, när den tvingar sig in i det fasta, agerar som en kil när den går och öppnar en allt bredare spricka.

Dessa material är "mycket känsliga för antalet och storleken på ytdefekter, inte till materialets bulkegenskaper, säger Chiang. "Det är sprickutbredningen som leder till misslyckande... Det säger oss att det vi borde fokusera på mer är kvaliteten på ytorna, om hur smidiga och defektfria vi kan göra dessa solida elektrolytfilmer."

"Jag tror att detta högkvalitativa och nya arbete kommer att återställa tanken på hur man konstruerar praktiska litiummetallbatterier i fast tillstånd, " säger Alan Luntz, en konsultprofessor för forskning om metall-luftbatterier vid Stanford University, som inte var involverad i denna forskning. "Författarna har visat att en annan mekanism styr litiummetallkortslutning i litiumbatterier i fast tillstånd än i flytande eller polymera litiummetallbatterier där dendriter bildas. ... Detta innebär att om litiummetallbatterier i fast tillstånd någonsin ska ha praktiska strömtätheter, då är noggrann minimering av alla strukturella defekter vid gränsytan mellan litiummetall och elektrolyt väsentlig, " han säger.

Luntz tillägger, "Jag anser att det är ett oerhört viktigt bidrag till målet att utveckla praktiska och säkra alla solid-state batterier."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.