大多數(shù)電池由稱為電極的兩個固體電化學(xué)活性層組成，由注入液體或凝膠電解質(zhì)的聚合物膜隔開。但最近的研究探索了全固態(tài)電池的可能性，其中液體（和可能易燃的）電解質(zhì)將被固體電解質(zhì)取代，這可以提高電池的能量密度和安全性。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一個團隊第一次探討了硫化物基固體電解質(zhì)材料的機械性能，以確定其在加入電池時的機械性能。

鋰離子電池提供了輕量級的儲能解決方案，已經(jīng)實現(xiàn)了許多當今的高科技設(shè)備，從智能手機到電動汽車。但是在這種電池中用固體電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體電解質(zhì)可以具有顯著的優(yōu)點。這種全固態(tài)鋰離子電池可以在電池組級別提供更高的能量存儲能力。它們實際上也可以消除被稱為枝晶的微小的指狀金屬凸起的風險，這些凸起可以通過電解質(zhì)層生長并導(dǎo)致短路。

“具有全部組件的電池是性能和安全性的有吸引力的選擇，但仍存在一些挑戰(zhàn)，”研究人員說。在當今市場占主導(dǎo)地位的鋰離子電池中，鋰離子在電池充電時通過液體電解質(zhì)從一個電極到達另一個電極，然后在使用時沿相反方向流過。這些電池非常有效，但“液體電解質(zhì)往往是化學(xué)不穩(wěn)定的，甚至可能是易燃的，”她說。“因此，如果電解質(zhì)是固體，它可能更安全，更小更輕?！?/p>

但是，關(guān)于使用這種全固態(tài)電池的一個大問題是，當電極反復(fù)充電和放電時，電解質(zhì)材料內(nèi)可能會發(fā)生什么樣的機械應(yīng)力。當鋰離子進出晶體結(jié)構(gòu)時，這種循環(huán)導(dǎo)致電極膨脹和收縮。在剛性電解質(zhì)中，這些尺寸變化會導(dǎo)致高應(yīng)力。如果電解質(zhì)也是脆性的，那么尺寸的不斷變化會導(dǎo)致裂縫迅速降低電池性能，并且甚至可能像液體電解質(zhì)電池那樣提供破壞樹枝狀晶體形成的通道。但是如果材料能夠抵抗斷裂，那么這些應(yīng)力可以在沒有快速開裂的情況下得到適應(yīng)

然而，到目前為止，硫化物對普通實驗室空氣的極端敏感性對測量機械性能（包括其斷裂韌性）提出了挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，研究小組的成員在礦物油浴中進行了機械測試，保護樣品免受與空氣或濕氣的任何化學(xué)相互作用。使用該技術(shù)，他們能夠獲得導(dǎo)電硫化物的機械性能的詳細測量結(jié)果，這被認為是全固態(tài)電池中電解質(zhì)的有希望的候選者。

有很多不同的固體電解質(zhì)候選者。其他研究小組已經(jīng)研究過鋰離子傳導(dǎo)性氧化物的機械性能，但到目前為止，硫化物的研究還很少，盡管由于它們能夠容易且快速地傳導(dǎo)鋰離子，因此它們特別有前途。

以前的研究人員使用聲學(xué)測量技術(shù)，將聲波傳遞通過材料以探測其機械性能，但該方法無法量化抗斷裂性。但是這項新研究使用了一個精細探針來探測材料并監(jiān)測其反應(yīng)，更全面地展示了重要的特性，包括硬度，斷裂韌性和楊氏模量（材料拉伸能力的衡量標準）在施加的壓力下可逆地）。

研究小組已經(jīng)測量了硫化物基固體電解質(zhì)的彈性特性，但沒有測量斷裂特性。后者對于預(yù)測材料在電池應(yīng)用中是否會破裂或破碎至關(guān)重要。

研究人員發(fā)現(xiàn)，該材料具有與膩子或鹽水太妃糖有些相似的特性：當受到應(yīng)力時，它可以很容易變形，但在足夠高的應(yīng)力下，它會像脆弱的玻璃一樣破裂。

通過詳細了解這些屬性，可以計算出材料在斷裂前能夠承受多大的壓力，并設(shè)計出考慮到這些信息的電池系統(tǒng)。

這種材料比電池使用的材料更脆，但只要其性能已知且系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)，它仍有可能用于此類用途。“你必須圍繞這些知識進行設(shè)計。

最先進的鋰離子電池的循環(huán)壽命主要受限于液體電解質(zhì)的化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性以及它與電極的相互作用。然而，在固態(tài)電池中，機械降解可能會影響穩(wěn)定性或耐久性。因此，了解固態(tài)電解質(zhì)的機械性能非常重要。

與現(xiàn)有技術(shù)的石墨陽極相比，鋰金屬陽極的容量顯著增加。與[傳統(tǒng)]鋰離子技術(shù)相比，這可以轉(zhuǎn)化為能量密度增加約100％。