锂离子电池提供了轻量级的储能解决方案

大多数电池由称为电极的两个固体电化学活性层组成，由注入液体或凝胶电解质的聚合物膜隔开。但最近的研究探索了全固态电池的可能性，其中液体（和可能易燃的）电解质将被固体电解质取代，这可以提高电池的能量密度和安全性。

现在，麻省理工学院的一个团队第一次探讨了硫化物基固体电解质材料的机械性能，以确定其在加入电池时的机械性能。

锂离子电池提供了轻量级的储能解决方案，已经实现了许多当今的高科技设备，从智能手机到电动汽车。但是在这种电池中用固体电解质代替传统的液体电解质可以具有显着的优点。这种全固态锂离子电池可以在电池组级别提供更高的能量存储能力。它们实际上也可以消除被称为枝晶的微小的指状金属凸起的风险，这些凸起可以通过电解质层生长并导致短路。

“具有全部组件的电池是性能和安全性的有吸引力的选择，但仍存在一些挑战，”研究人员说。在当今市场占主导地位的锂离子电池中，锂离子在电池充电时通过液体电解质从一个电极到达另一个电极，然后在使用时沿相反方向流过。这些电池非常有效，但“液体电解质往往是化学不稳定的，甚至可能是易燃的，”她说。“因此，如果电解质是固体，它可能更安全，更小更轻。”

但是，关于使用这种全固态电池的一个大问题是，当电极反复充电和放电时，电解质材料内可能会发生什么样的机械应力。当锂离子进出晶体结构时，这种循环导致电极膨胀和收缩。在刚性电解质中，这些尺寸变化会导致高应力。如果电解质也是脆性的，那么尺寸的不断变化会导致裂缝迅速降低电池性能，并且甚至可能像液体电解质电池那样提供破坏树枝状晶体形成的通道。但是如果材料能够抵抗断裂，那么这些应力可以在没有快速开裂的情况下得到适应

然而，到目前为止，硫化物对普通实验室空气的极端敏感性对测量机械性能（包括其断裂韧性）提出了挑战。为了解决这个问题，研究小组的成员在矿物油浴中进行了机械测试，保护样品免受与空气或湿气的任何化学相互作用。使用该技术，他们能够获得导电硫化物的机械性能的详细测量结果，这被认为是全固态电池中电解质的有希望的候选者。

有很多不同的固体电解质候选者。其他研究小组已经研究过锂离子传导性氧化物的机械性能，但到目前为止，硫化物的研究还很少，尽管由于它们能够容易且快速地传导锂离子，因此它们特别有前途。

以前的研究人员使用声学测量技术，将声波传递通过材料以探测其机械性能，但该方法无法量化抗断裂性。但是这项新研究使用了一个精细探针来探测材料并监测其反应，更全面地展示了重要的特性，包括硬度，断裂韧性和杨氏模量（材料拉伸能力的衡量标准）在施加的压力下可逆地）。

研究小组已经测量了硫化物基固体电解质的弹性特性，但没有测量断裂特性。后者对于预测材料在电池应用中是否会破裂或破碎至关重要。

研究人员发现，该材料具有与腻子或盐水太妃糖有些相似的特性：当受到应力时，它可以很容易变形，但在足够高的应力下，它会像脆弱的玻璃一样破裂。

通过详细了解这些属性，可以计算出材料在断裂前能够承受多大的压力，并设计出考虑到这些信息的电池系统。

这种材料比电池使用的材料更脆，但只要其性能已知且系统设计相应，它仍有可能用于此类用途。“你必须围绕这些知识进行设计。

最先进的锂离子电池的循环寿命主要受限于液体电解质的化学/电化学稳定性以及它与电极的相互作用。然而，在固态电池中，机械降解可能会影响稳定性或耐久性。因此，了解固态电解质的机械性能非常重要。

与现有技术的石墨阳极相比，锂金属阳极的容量显着增加。与[传统]锂离子技术相比，这可以转化为能量密度增加约100％。