加強鋰金屬的微觀研究，推進更高效更安全的鋰離子電池發展
圖片展示的是鑽石探針，這是一種被Herbert和Hackney用於他們的研究的超靈敏電子器件，它必須被安置在能夠消除任何振動的隔室中。
圖片來源：Sarah Bird/密歇根理工大學
古話有言：「在學習跑步之前，你必須先學會走路。」 儘管有這樣的智慧賢言，但包括電池行業在內的許多行業都跳過學習基礎知識這一過程，反而去報名參加馬拉松賽。
鋰離子電池對於提高存儲容量方面具有著令人難以置信的潛力，但不幸的是它們很不穩定。 我們都聽說過關於手機中鋰離子電池發生事故的消息，最明顯的是三星Galaxy 7，因為電池的不穩定導致手機著 火。
鋰離子電池所導致的安全問題，大多是由於電池內部使用易燃的液態電解質而引起的。 一種有效的方法是使用不可燃固體電解質和鋰金屬電極，這不但能增加電池的能量密度，同時也能降低發生事故的可能性。
事實上，行業發展的最終目的是建設安全的下一代固態電池。而在這個發展的過程中，則是為了更深入的理解鋰金屬的奧秘。
密歇根理工大學材料科學與工程系助理教授Erik Herbert說：「每個人都在關注電池的儲能組件。但是卻很少有研究小組對研究機械元件感興趣，我們發現鋰本身的力學性質可能是這個難題的關鍵。」
密歇根理工大學的研究人員對鋰的基本研究認識做出了重大貢獻，他們的研究成果已經發表在由材料研究學會和劍橋大學出版社共同出版的期刊Journal of Materials Research中了。材料科學與工程教授Herbert和Stephen Hackney與密歇根理工大學的研究生Violet Thole，橡樹嶺國家實驗室的Nancy Dudney和國際粉末冶金與新材料高級研究中心的Sudharshan Phani共同分享了研究成果： 他們強調了鋰在控制下一代電池性能和安全性方面的機械行為的重要性。
就像凍融循環會破壞混凝土一樣，鋰枝晶也會破壞電池
鋰金屬是一種極其活潑的金屬，因此容易發生不良行為。 但它也非常適合儲存能量。 我們希望我們的手機（以及電腦，平板電腦和其他電子設備）能夠快速充電，因此電池製造商面臨著雙重壓力：一方面要使電池充電速度非常快，儘可能快地在陰極和陽極之間傳遞電荷，同時也要在反覆的快速充放電過程中使電池更加可靠耐用。
鋰是一種非常軟的金屬，但它在電池運行過程中的表現不如預期。在電池充放電期間不可避免地發生的安裝壓力可能導致一些微小的缺陷，即形如樹枝狀晶體的鋰枝晶填充在鋰陽極和固體電解質隔板之間的界面處導致的微觀缺陷 - 凹槽、孔和劃痕。
在繼續循環充放電過程中，這些樹枝狀晶體可以強制進入並最終刺破物理分隔陽極和陰極的固體電解質層。 一旦鋰枝晶到達陰極，器件就會迅速短路並發生故障，這種故障通常是災難性的。 Herbert和Hackney的研究集中在如何緩解固態電池充放電過程中鋰金屬自然產生的壓力。
他們的工作記錄下了鋰在亞微米尺度上的行為 - 深入研究鋰的最微觀同時也是最具迷惑性的屬性。研究人員通過用金剛石探針刻蝕鋰薄膜以使金屬變形，並研究金屬如何對壓力做出反應。他們的研究結果證實了加州理工學院研究人員今年早些時候報告的小尺寸鋰所具有的令人意外的高強度性能。
Herbert和Hackney通過早期對鋰具有意外的高強度性能的刻板解釋來構建該研究。
鋰金屬能夠自我擴散或重新排列自己的原子或離子，試圖緩解外力施加的壓力，這表明研究人員認識到鋰的變形速度（與電池的充放電速度有關）的重要性，以及構成陽極的鋰離子排列中的缺陷和偏差的影響。
深入了解鋰的行為
在標題為 「Nanoindentation of high-purity vapor deposited lithium films: The elastic modulus」的論文中，研究人員測量了鋰的彈性特性以反映鋰離子物理取向的變化。 這些結果強調了將鋰取向依賴性，彈性性能納入未來的模擬工作中的必要性。Herbert和Hackney還提供了實驗證據，表明鋰可能具有增強的能力，將機械能轉化為在小於500納米的尺度上的熱能。
在接下來題目為"Nanoindentation of high-purity vapor deposited lithium films: A mechanistic rationalization of diffusion-mediated flow"的論文中，Herbert和Hackney證明鋰在小於500納米的長度尺寸上異常高的強度，並且提供了其原始框架， 旨在解釋鋰的壓力管理能力是如何受擴散和材料變形速率控制的。
最後，在標題為"Nanoindentation of high-purity vapor deposited lithium films: A mechanistic rationalization of the transition from diffusion to dislocation-mediated flow"的文章中，作者提供了一個統計模型，解釋了鋰進一步促進其緩解壓力而經歷突變過程的條件。 他們還提供了一種模型，將鋰的力學行為直接與電池的性能聯繫起來。
「我們正試圖理解鋰緩解與界面缺陷相稱的長度壓力的機制，」 Herbert說道。 「加深我們對這一基本問題的理解，將直接促進穩定界面的發展，並促進安全、長效和高速率的循環性能的電池的產生。」
Herbert說：「我希望我們的工作能夠對人們試圖開發下一代儲能設備的方向產生重大影響。」
文章來自sciencedaily網站，原文題目為Better, faster, stronger: Building batteries that don"t go boom，由材料科技在線匯總整理。
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