作为一项突破，印度科学研究所（IISc）的研究人员及其合作者发现了下一代固态电池是如何失效的，并设计了一种新策略，使这些电池寿命更长，充电更快。
固态电池有望取代几乎所有便携式电子设备中的锂离子电池。但在反复或过度使用时，它们会形成称为“树突”的细丝，这会使电池短路，使其无法使用。
在《自然材料》（Nature Materials）上发表的一项新研究中，研究人员已经确定了这种树枝晶形成的根本原因鈥攖早期，在其中一个电极上出现了微观空洞。他们还表明，在电解液表面添加一层薄薄的金属可以显著延缓树枝晶的形成，延长电池的寿命，并使其充电更快。
传统锂离子电池鈥攖你可以在智能手机或笔记本电脑中找到鈥攃ontain一种液体电解质，夹在由过渡金属（如铁和钴）氧化物制成的带正电电极（阴极）和由石墨制成的带负电电极（阳极）之间。当电池充电和放电（耗尽电量）时，锂离子在正负极之间以相反的方向穿梭。这些电池存在重大安全问题鈥攖液态电解质在高温下会着火。石墨也比金属锂储存更少的电荷。
因此，一种很有希望的替代方法是固态电池，它将液体转换为固体陶瓷电解质，并将石墨与金属锂交换。陶瓷电解质在更高的温度下表现更好，这在印度等热带国家尤其有用。锂也比石墨更轻，储存更多的电荷，这可以显著降低电池成本。
“不幸的是，当你添加锂时，它会形成这些长丝，长成固体电解质，并使阳极和阴极短路，”固态与结构化学单元（SSCU）助理教授、该研究的通讯作者Naga Phani Aetukuri解释道。
为了研究这一现象，Aetukuri的博士生Vikalp Raj通过反复给数百个电池充电，切割锂电解质界面的薄片，并在扫描电子显微镜下观察，人工诱导了树枝晶的形成。当他们仔细观察这些部分时，研究小组意识到在树突形成之前很久就发生了一些事情鈥攎锂阳极在放电过程中产生了微观空洞。研究小组还计算出，集中在这些微观空洞边缘的电流大约是电池平均电流的10000倍，这可能会对固体电解质产生应力，并加速枝晶的形成。
“这意味着，现在我们制造优质电池的任务非常简单，”Aetukuri说。“我们所需要的只是确保不会形成空洞。”
为了确保这一点，研究人员引入了一层超薄的难熔金属层鈥攁 耐热耐磨的金属鈥攂在锂阳极和固体电解质之间。Aetukuri说：“难熔金属层保护固体电解质免受应力的影响，并在一定程度上重新分配电流。”。他和他的团队与美国卡内基梅隆大学（CarnegieMellon University）的研究人员合作，他们进行了计算分析，结果清楚地表明，难熔金属层确实延缓了微观锂空洞的生长。
施加可将锂推向固体电解质的极端压力可防止空隙和延迟枝晶形成，但这可能不适用于日常应用。其他研究人员也提出了在界面处使用铝等合金或与锂充分混合的金属的想法。但随着时间的推移，这种金属层与锂混合，变得难以区分，并且不能阻止枝晶的形成。“我们所说的是不同的，”Raj解释道。“如果使用钨或钼等不与锂合金的金属，电池的性能会更好。”
研究人员表示，这些发现是实现实用和商用固态电池的关键一步。他们的策略还可以推广到其他类型的电池，这些电池含有钠、锌和镁等金属。